Wulkany odpowiedzialne za... wyjątkowo chłodne lata

Najnowsza analiza rdzeni lodowych oraz słojów drzew wskazuje, że w ostatnich 2,5 tysiącach lat najchłodniejsze sezony letnie były następstwem dużych erupcji wulkanicznych.

Dymy wulkaniczne

Rysunek 1: Wykonane z pokładu promu kosmicznego Discovery zdjęcie erupcji wulkanu Rabaul (wrzesień 1994). Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA (źródło).

Wulkaniczne chłodzenie

Wiele osób postrzega wulkany przede wszystkim jako źródła dwutlenku węgla, a co za tym idzie - winowajców globalnego ocieplenia. Tymczasem, jak pisaliśmy już w tekstach Mit: Wulkany emitują więcej dwutlenku węgla niż człowiek oraz CO2 z wulkanów - jak to się mierzy? rzeczywiste emisje CO2 z wulkanów są tak małe, że nawet ich zmierzenie przysparza naukowcom sporo trudności (ale nie jest niemożliwe!). Tym, co dla odmiany wydobywa się z wulkanów w dużej ilości, są związki siarki, które łączą się w powietrzu z cząsteczkami wody, tworząc kropelki kwasu siarkowego. W rezultacie powstaje zawiesina, zwana mądrzej aerozolem siarkowym.

Aerozol siarkowy działa jak parasolka od Słońca – rozprasza promieniowanie słoneczne i odbija jego część wstecz w kosmos, co ogranicza dopływ energii do powierzchni Ziemi. Jak łatwo zgadnąć (zwłaszcza po lekturze tekstu Efekt cieplarniany - jak to działa), sprzyja to obniżeniu temperatury powierzchni naszej planety.

Cząsteczki aerozolu po kilku dniach lub tygodniach opadają lub są wymywane z troposfery. Duże erupcje wulkaniczne są w stanie „wstrzyknąć” aerozol siarkowy aż do stratosfery, czyli warstwy atmosfery leżącej powyżej troposfery. Proces usuwania ich stamtąd jest wolniejszy – drobne cząstki aerozolu mogą utrzymywać się tam nawet przez kilka lat.

Rysunek 2: Grubość optyczna stratosfery dla fal o długości 1020 nm – bezwymiarowa wielkość mówiąca w uproszczeniu o tym, jak dużo jest w stratosferze aerozolu nie przepuszczającego promieniowania o długości fali 1020 nm (im więcej aerozolu, tym większa grubość optyczna), na podstawie pomiarów satelitarnych z 1991 roku. Lewa górna mapa – sytuacja przed wybuchem wulkanu Pinatubo (10.04.1991-13.05.1991), prawa górna mapa – krótko po erupcji Pinatubo, aerozol koncentruje się w obszarze międzyzwrotnikowym (15.06.1991-25.07.1991), lewa dolna mapa (23.08.1991-30.09.1991) pokazuje rozprzestrzenianie się aerozolu po różnych szerokościach geograficznych, prawa dolna mapa (05.12.1991-19.01.1992) – obniżone wartości grubości optycznej to symptom stopniowego wypadania aerozolu ze stratosfery. (Newhall and Punongbayan, 1996).

Stratosfera ma odrębną nazwę nie tylko dlatego, że leży wyżej i wypadałoby wprowadzić jakiś podział, żeby było o czym uczyć na lekcjach geografii. Obie warstwy atmosfery wyraźnie różnią się, jeśli chodzi o możliwość rozwoju pionowych ruchów powietrza. Średnio rzecz biorąc, temperatura w troposferze maleje z wysokością, a w stratosferze – rośnie (za co odpowiada warstwa ozonu, intensywnie pochłaniająca energię nadfioletowego promieniowania słonecznego). Stratosfera działa jak atmosferyczna pokrywka tamująca konwekcyjne ruchy powietrza. Nawet jeśli jakiś bąbel powietrza zostanie tu wyniesiony do góry, to rozpręży się (wyżej panuje mniejsze ciśnienie) a jego temperatura spadnie poniżej temperatury otoczenia, co poskutkuje opadnięciem bąbla z powrotem w dół. I odwrotnie – nawet jeśli jakiś mechanizm zepchnie bąbel powietrza nieco w dół, to wskutek sprężenia gaz się ogrzeje i stanie cieplejszy od otoczenia. W rezultacie siła wyporu wyniesie go znów na początkową wysokość. To zjawisko, zwane stabilnością statyczną atmosfery, znacząco utrudnia wymianę powietrza pomiędzy warstwami atmosfery: stratosferą i troposferą, a przez to wydłuża czas przebywania aerozolu w stratosferze. W tym czasie dzięki przepływom w poziomie (które nie są tłumione tak jak zmiany wysokości) drobinki pyłu zdążą rozprzestrzenić się nad dużym obszarem i zauważalnie wpłynąć na bilans energetyczny Ziemi (patrz rysunek 2).

Co odczytano ze słojów drzew i rdzeni lodowych

W opublikowanej niedawno w Nature pracy Sigl i in. (2015), zaprezentowano nową analizę, w której połączono wnioski z badania zapisów historycznych, rdzeni lodowych oraz słojów drzew, by stwierdzić, jaki wpływ na średnie globalne temperatury powierzchni Ziemi miały erupcje wulkanów.

Rdzenie lodowe, wydobywane na Grenlandii i Antarktydzie, to podłużne lodowe cylindry, których kolejne warstwy odpowiadają kolejnym latom opadów śniegu. Jeśli w danym roku występowała podwyższona aktywność wulkaniczna, to w rdzeniu znajdzie się ciemna warstwa przyniesionych wiatrem popiołów i związków siarki (tych wyemitowanych niżej, które szybko wypadły) tak jak na zdjęciu poniżej.

Rdzeń lodowy

Rysunek 3: Rdzeń lodowy z wyraźną warstwą aerozolu wulkanicznego. Zdjęcie Heidi Roop, NSF (źródło).

Licząc warstwa po warstwie, można ustalić czas wystąpienia erupcji. Nie zawsze jest to proste, bo warstwy bywają w różny sposób zaburzone, pojawiają się więc rozbieżności we wnioskach. W ostatnich latach udoskonalono technikę analizy rdzeni lodowych i przedstawiono nowe datowania erupcji wulkanicznych podczas ostatnich 2-2,5 tysięcy lat (Plummer i in., 2012, Sigl i in., 2013). Autorzy pracy Sigl i in. (2015) zidentyfikowali i przeanalizowali 283 erupcje. Bazując na tym, czy warstwa siarczanów pojawiała się na Antarktydzie, na Grenlandii, czy na obu lądolodach jednocześnie, naukowcy przypisali mniej więcej połowę erupcji do wulkanów umiejscowionych w umiarkowanych i wysokich szerokościach geograficznych, a 81 – do wulkanów tropikalnych.

Słoje drzew niosą z kolei informacje o przeciętnych warunkach pogodowych. Jak zapewne wiecie, każdy słój drzewa odpowiada kolejnemu rokowi. Licząc słoje, można ustalić wiek drzewa. Natomiast sprawdzenie szerokości rocznych przyrostów umożliwia określenie, czy warunki w konkretnym roku sprzyjały wzrostowi drzewa (zazwyczaj ciepłe lato) czy je utrudniały (najczęściej chłodne lato). Dla uniknięcia błędów, bada się oczywiście słoje wielu drzew rosnących w różnych lokalizacjach oraz bierze się pod uwagę różnice w gatunkach i sprawdza inne parametry drewna (np. gęstość). Sigl i in. (2015) korzystali z próbek pochodzących z Niemiec, Alp, Syberii, Nowej Zelandii i wschodniego rejonu Ameryki Północnej.

Rysunek 4: Uproszczony schemat powstawania słojów drzew. W latach cieplejszych roczny przyrost jest większy, w latach chłodniejszych – mniejszy. Ilustracja przygotowana z użyciem aplikacji Build a tree.

Sigl i in. (2015) zaobserwowali, że 15 z 16 sezonów letnich o najmniejszych przyrostach drzew, a więc zapewne najchłodniejszych w okresie 500 p.n.e – 1000 n.e. miało miejsce po silnych erupcjach wulkanicznych. Silna aktywność wulkaniczna przynosiła także szczególnie chłodne lata w Europie. Ponadto wszystkie 16 najchłodniejszych dekad w ciągu ostatnich 2,5 tys. lat występowało po dużej erupcji lub erupcjach wulkanicznych. Naukowcy potwierdzili między innymi, że dziesięciolecie najmniejszych przyrostów rocznych rozpoczęło się w 536 n.e. wybuchem dużego wulkanu w wysokich szerokościach geograficznych, zaś po czterech latach sytuację pogorszyła kolejna znacząca erupcja. Piszemy o pogorszeniu, bo w tych chłodnych i niesprzyjających rolnictwu warunkach znacząco spadły w Europie plony, prowadząc do głodu i ułatwiając rozprzestrzenienie się epidemii dżumy. 19 największych erupcji w naszej erze powodowało, średnio rzecz biorąc, ochłodzenie o 0,6 ± 0,2°C przez pięć lat po zdarzeniu.

Wzmożona aktywność wulkaniczna już wcześniej wiązana była z ochłodzeniami klimatu (wykazano to bezsprzecznie po wybuchach El Chichon i Pinatubo w drugiej połowie XX wieku) i znaczącymi zdarzeniami w historii człowieka, ale praca Sigla i kolegów porządkuje wiedzę na ten temat i uzgadnia rozbieżności pomiędzy różnymi zbiorami danych. Pozwala także wreszcie jednoznacznie (dzięki bogatej statystyce) potwierdzić i oszacować chłodzący wpływ erupcji wulkanicznych na klimat w okresie objętym badaniem.

Aleksandra Kardaś, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski

Opublikowano: 2015-10-24 23:08
Tagi

efekt aerozolowy ochłodzenie wulkany

Fundacja UW
Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.