Vulkanutbrott spelar en viktig roll för att kyla planeten. Men forskare är oroade över att klimatförändringar kan göra utbrott mindre effektiva när det gäller att sänka den globala temperaturen. Kredit:© J. Helgason, Shutterstock
Ny analys av askmoln skapade från stora vulkanutbrott visar att de tillfälliga kyleffekterna förändras när miljön blir varmare.
Den 15 juni 1991 bröt vulkanen Pinatubo i Filippinerna ut med en katastrofal explosion så våldsam att vulkanen kollapsade i sig själv. Dess gas- och askmoln nådde cirka 40 km upp i luften, och under veckorna som följde kom molnet in i stratosfären och spred sig runt jordklotet. Under nästa år sjönk den globala medeltemperaturen med cirka 0,5 grader Celsius.
En vulkan är en öppning i jordskorpan som tillåter het, smält sten att fly till ytan. Det tillåter också gas och aska att fly från jordens inre med hög temperatur.
Vulkanutbrott spelar en viktig roll för att kyla planeten. Svavelgaserna från vulkanplymerna kombineras med andra gaser i atmosfären, och dessa aerosoler sprider solstrålning och reflekterar den ut i rymden. Men forskare är oroade över att klimatförändringar kan göra utbrott mindre effektiva när det gäller att sänka den globala temperaturen. Denna återkopplingsslinga, där klimatförändringar kan hindra eller förstärka vulkanutbrottens förmåga att bekämpa stigande temperaturer, ingår för närvarande inte i framtida klimatscenarier.
VOLCPRO-projektet gick ut på att undersöka två olika typer av utbrott för att se om global uppvärmning skulle äventyra deras kyleffekt.
Thomas Aubry, forskare vid University of Cambridge i Storbritannien och Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) fellow på VOLCPRO, undrade om ett utbrott som Mount Pinatubo skulle ha haft samma kylande effekt om det skulle inträffa hundra år senare i en värld där den globala temperaturökningen – genom effekterna av klimatförändringarna – fortsätter okontrollerat.
Högintensiv utbrott
Den första typen av utbrott, som liknar Mount Pinatubo, är känt som ett högintensivt utbrott. Denna typ avger aska och partiklar som når 25 km eller högre upp i atmosfären och innehåller miljarder ton svavelgaser. Relativt sällsynt, ett utbrott av denna kraftfulla typ uppstår med några decennier – Mount Pinatubo var ett av de största utbrotten som världen hade sett på ett sekel.
Den andra typen är mindre, men mer frekvent. "Vi undrade hur klimatförändringarna kommer att påverka dessa två olika typer av utbrott, de små mot de stora," sa Aubry.
VOLCPRO-teamet modellerade historiska utbrott som visar deras inverkan på klimatet och simulerade sedan vad som skulle hända om samma utbrott ägde rum i framtiden, när klimatet har förändrats och de globala temperaturerna är varmare.
Deras simuleringar förlitade sig på U.K. Met Offices avancerade klimatmodell. "Inuti den modellen (U.K. Met Office) lade vi till ytterligare en modell som kan simulera uppgången av en vulkanisk plym och hur högt denna vulkanpelare kan stiga beroende på till exempel vindförhållandena under dagen för utbrott eller temperaturen i atmosfären på dagen och så vidare," sa Aubry.
För de stora utbrotten fann de att nedkylningen skulle förstärkas av den globala uppvärmningen, "vilket är en slags goda nyheter", sa Aubry. "Mer global uppvärmning, mer vulkanisk kylning."
I en varmare atmosfär kommer plymer av högintensiva utbrott att stiga ännu högre, vilket gör att de små vulkaniska partiklarna kan resa längre. Detta dis av aerosoler kommer att täcka ett större område, reflektera mer solstrålning och förstärka dessa vulkaners tillfälliga kyleffekt.
Motsatsen gällde de mindre, mer frekventa vulkanutbrotten. I de fallen hindrade de varmare temperaturerna de kylande effekterna från utbrotten.
Men innan de trycker på för att få sina resultat inkluderade i forskarnas globala klimatförändringsprognoser, vill Aubry undersöka andra vulkaner och andra modeller för att förstärka deras resultat.
VOLCPRO fokuserade på tropiska vulkaner, eftersom utbrott runt ekvatorn tenderar att påverka klimatet globalt eftersom de vulkaniska partiklarna lätt sprids till båda halvkloten. Genom att inkludera vulkaner närmare polerna kommer forskarna att kunna avgöra hur andra utbrott reagerar på högre temperaturer. De vill också inkludera fler klimatmodeller, inte bara Storbritanniens, för att se till att deras resultat är robusta.
Vulkanaska
Samtidigt arbetar Elena Maters, en före detta MSCA-stipendiat som nu är baserad vid University of Cambridge i Storbritannien, för att ta reda på vad som händer med vulkanisk aska i atmosfären och hur det påverkar molnbildningen och i slutändan klimatet.
Vulkanaska främjar isbildning i atmosfären, som i slutändan ersätter vatten i moln. Moln är ett av de största frågetecknen inom klimatforskningen, och ju mer vi förstår hur de bildas och beter sig, desto mer exakta är våra modeller.
"Det vanliga antagandet är att flytande vatten kommer att förvandlas till is under noll (grader)," förklarade Maters. Så är inte alltid fallet och små droppar kan bli kvar som flytande ner till runt minus 35 grader Celsius. Men partiklar i atmosfären skapar "katalytiska ytor som gör det lättare för vattenmolekyler att bilda en iskristall."
Mineraldamm, från sand med ursprung i ökenområden runt om i världen, såsom Sahara- och Gobiöknarna, är den dominerande källan till fasta partiklar i atmosfären. Det finns dock många andra källor, inklusive vulkanaska.
INOVA-projektet försökte fastställa i vilken utsträckning vulkanaska hjälper till isbildning.
"I ett årligt genomsnitt finns det cirka 10 gånger mindre vulkanaska (än mineraldamm) i atmosfären," sa Maters. "Men du kan ha stora utbrott som snabbt, inom några timmar till dagar, kan släppa ut enorma mängder partiklar, och detta har försummats i många klimatmodelleringar och även i fall som tittar på effekterna av vulkaner."
Isbildning
Som en del av INoVA undersökte Maters och kollegor effekten av vulkanisk aska för att främja isbildning. De jämförde detta med det allestädes närvarande mineraldamm, och testade för att se vilka typer som var mest framgångsrika.
Vulkanaska är mestadels glas, med ett stänk av mineraler som fältspat och järnoxider. Askans sammansättning beror bland annat på sammansättningen av magman som rullar under, och den hastighet med vilken den explosivt kastas ut från vulkanen.
Tidigare studier jämförde bara en handfull askatyper, sade Maters, vars forskning fokuserar på vulkanisk askreaktivitet och kemi. "Man kan inte mäta två eller tre prover och sedan dra en slutsats för all vulkanaska och vulkanutbrott över hela världen. De varierar enormt i glassammansättningen, andelen glas till mineraler, typerna av mineraler och så de experiment jag gjorde. försökte komma till botten med effektivitetsintervallet för vulkanaska från olika typer av utbrott", sa hon.
Maters tog nio askprover med en rad olika sammansättningar och använde dem för att skapa nio syntetiska prover genom smältning och snabb kylning. Hon jämförde dessa 18 prover för att identifiera vilka egenskaper som gör vulkanaska mer aktiv för att skapa is. I en annan studie med en grupp vid Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland analyserade Maters och kollegor ytterligare 15 vulkaniska prover för att identifiera deras isframställningsegenskaper.
Hon föreslog att den mest isaktiva komponenten i vulkanaska är alkalifältspat, ett mineral som består av aluminium, kisel och syre som vanligtvis finns i jordskorpan. "Nu, med denna förståelse för vilka mineraler i aska som är bra på att kärnbilda (bilda) is," sa Maters, "kan du kanske förutsäga när en vulkan bryter ut om den vulkanen, baserat på dess magmasammansättning, skulle kunna producera isaktiv aska."
Medan hennes arbete tidigare var mycket laboratoriebaserat, har covid-pandemin tvingat henne till modellering, skämtade hon. Hon undersöker nu Eyjafjallajökulls vulkanutbrott på Island 2010 för att se hur det introducerade isbildande partiklar i atmosfären och hur dessa partiklar jämfört med mängden mineraldamm.
Studien kommer att undersöka hur vulkanaska har en roll i isbildningen när vi faktiskt pluggar in den i atmosfären. Den kommer att jämföra den med andra typer av partiklar, som mineraldamm och ställer frågan "spelar det någon roll?"
När bättre klimatmodeller utvecklas, "Det är ett proof of concept att visa att explosiva utbrott kan vara viktigt att inkludera", säger Maters. + Utforska vidare
