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 z wulkanów wydobywa się dla odmiany 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 n 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 – warstwa atmosfery, w której temperatura rośnie z wysokością – 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: 24 października 2015

Zasady komentowania na Nauka o klimacie

Nasza strona służy popularyzacji nauki. Chętnie odpowiadamy na pytania, ale nie akceptujemy spamu i dezinformacji.