Жанар тау атқышуының температуралық аномалияға әсері

Кіріспе

Жанартау шығарылысынан туындаған температуралық аномалия құбылысы

Жанартау қысы – үлкен, күкіртке бай, әсіресе жарылғыш жанартаудың атқылауынан кейін, күкірт қышқылының тамшылары Күнді жауып, Жердің альбедосын (күн сәулесінің шағылысуын) арттыру нәтижесінде болатын жаһандық температураның төмендеуі. Климатқа тигізетін әсерлер, негізінен, бір апта ішінде OH және H2O-мен реакцияласып H2SO4 түзетін SO2 және H2S газдарының стратосфераға енгізілу мөлшеріне байланысты, ал одан пайда болатын H2SO4 аэрозольдары күшті сәулелену әсерін тудырады. Жанартаулық стратосфералық аэрозольдер күн сәулесін шағылыстырып жер бетін салқындатады, ал бірнеше жыл бойы жерден шығатын сәулелерді сіңіріп стратосфераны жылытады. Бұған қоса, салқындату тенденциясын атмосфера, мұз және мұхиттың өзара әрекеттесу механизмдері одан әрі ұзартуы мүмкін. Бұл механизмдер жанартау аэрозольдары тарағаннан кейін де салқын климатты сақтап тұруға көмектеседі.

Физикалық процесс

Жарылыс кезінде магма вулканический күл мен газдар түрінде атмосфераға шығарылады. Көптеген вулканический күлдер жарылыстан кейін бірнеше апта ішінде жерге түсіп, тек жергілікті аймаққа қысқа мерзімге әсер етеді, ал шығарылған SO2 стратосферада H2SO4 аэрозольдерінің пайда болуына әкелуі мүмкін. Бұл аэрозольдер жарылыс ошағының жарты шарларын бірнеше апта ішінде айналып, шамамен бір жылдық ең аз уақыт ішінде ыдырайды. Нәтижесінде, олар бірнеше жылға созылатын радиациялық әсерге ие болады. Вулканический бұлттың стратосферада таралуы және оның климатқа тигізетін әсері бірнеше факторларға, соның ішінде жарылыс маусымына, бастапқы вулканический жердің ендігіне және инъекция биіктігіне байланысты. Егер SO2 инъекциясы биіктігі тропосферамен шектелсе, пайда болған H2SO4 аэрозольдері жауын-шашын арқылы тиімді түрде кетірілуіне байланысты бірнеше күн ғана сақталады. Экстратропикалық жарылыстардан пайда болған H2SO4 аэрозольдерінің өмір сүру мерзімі тропикалық жарылыстарға қарағанда қысқа, себебі тропиктерден орта немесе жоғары ендіктегі тропопаузаға дейінгі тасымалдану жолы ұзақ, бірақ экстратропикалық жарылыстар аэрозольді бір жарты шарға шектеп, жарты шарлық климаттық әсерді күшейтеді. Жоғары ендіктегі вулканический жарылыстар үшін қыстағы инъекциялар жазғы инъекцияларға қарағанда радиациялық тұрғыдан тиімсіз, себебі полярлық аймақтарда стратосфералық аэрозольдердің кетірілуі күшейеді. Сульфат аэрозолі шашырату арқылы күн сәулесімен күшті өзара әрекеттеседі, бұл стратосферада ерекше атмосфералық оптикалық құбылыстарға әкеледі. Бұл құбылыстарға күннің көмескіленуі, короналар немесе епископ сақиналары, ерекше сумерек түсі және толық ай тұтылуы жатады. Бұл атмосфералық құбылыстарды тіркеген тарихи жазбалар вулканический қыстардың белгілері болып табылады және біздің заманымыздан бұрынғы кезеңдерге дейін соққан. Тарихи жарылыстардан кейінгі жер бетіндегі температураны бақылау VEI немесе жарылыс көлемімен көрсетілген жарылыс мөлшері мен климаттың суыну деңгейі арасында ешқандай байланыс жоқ екенін көрсетеді. Себебі, жарылыс мөлшері SO2 шығарылатын мөлшермен байланысты емес.

An explosive volcanic eruption releases magma materials in the form of volcanic ash and gases into the atmosphere. While most volcanic ash settles to the ground within a few weeks after the eruption, impacting only the local area for a short duration, the emitted SO2 can lead to the formation of H2SO4 aerosols in the stratosphere. These aerosols can circle the hemisphere of the eruption source in a matter of weeks and persist with an e folding decay time of about a year. As a result, they have a radiative impact that can last for several years. The subsequent dispersal of a volcanic cloud in the stratosphere and its impact on climate are strongly influenced by several factors, including the season of the eruption, the latitude of the source volcano, and the injection height. If the SO2 injection height remains confined to the troposphere, the resulting H2SO4 aerosols have a residence time of only a few days due to efficient removal through precipitation. The lifetime of H2SO4 aerosols resulting from extratropical eruptions is shorter compared to those from tropical eruptions, due to a longer transport path from the tropics to removal across the mid or high latitude tropopause, but extratropical eruptions strengthens the hemispheric climate impact by confining the aerosol to a single hemisphere. Injections in the winter are also much less radiatively efficient than injections during the summer for high latitude volcanic eruptions, when the removal of stratospheric aerosols in polar regions is enhanced. The sulfate aerosol interacts strongly with solar radiation through scattering, giving rise to remarkable atmospheric optical phenomena in the stratosphere. These phenomena include solar dimming, coronae or Bishop's rings, peculiar twilight coloration, and dark total lunar eclipses. Historical records that documented these atmospheric events are indications of volcanic winters and date back to periods preceding the Common Era. Surface temperature observations following historic eruptions show that there is no correlation between eruption size, as represented by the VEI or eruption volume, and the severity of the climate cooling. This is because eruption size does not correlate with the amount of SO2 emitted.

Ұзақ мерзімді оң кері байланыс

Жанартау атылуларының салқындату әсері алғашқы бірнеше жылдан асып, ондаған жылдарға, тіпті мыңжылдықтарға созылуы мүмкін деген ұсыныс жасалған. Бұл ұзақ мерзімді әсердің себебі, H2SO4 аэрозольдері тарағаннан кейін де мұз және мұхит динамикасымен байланысты оң кері байланыс механизмдері болуы мүмкін деп болжанады. Жанартау атылғаннан кейінгі алғашқы бірнеше жылда H2SO4 аэрозольдерінің болуы айқын салқындату әсерін тудырады. Бұл салқындату қар шегінің кеңінен төмендеуіне алып келеді, теңіз мұзының, мұз қалқандарының және құрлық мұзының жылдам кеңеюіне жағдай жасайды. Соның салдарынан мұхит температурасы төмендейді және жер бетінің альбедосы артады, бұл теңіз мұзының, мұз қалқандарының және мұздықтардың кеңеюін одан әрі күшейтеді. Бұл процестер күшті оң кері байланыс тізбегін құрайды, салқындату тенденциясының ғасырлар бойына немесе одан да ұзақ сақталуына мүмкіндік береді. Бір-біріне жақын орналасқан ірі жанартау атылуларының шоғыры атмосфера, мұз және мұхит арқылы Кіші мұз дәуірін, Соңғы Антикалық Кіші мұз дәуірін, стадиалдарды, Жас Дриасты, Генрих оқиғаларын және Дансгаард-Оешгер оқиғаларын тудырған немесе күшейткен болуы мүмкін деген болжам бар.

Ауа райының әсері

Жедел жарылған жанартау материалдарының жеткілікті көлемі Жердің силикатты ауа райы циклының маңызды факторы ретінде қарастырылады, бұл цикл ондаған миллион жылдар бойында жүзеге асады. Осы процесте ауа райына ұшыраған силикат минералдары көмірқышқыл газы мен сумен реакцияласып, магний карбонаты мен кальций карбонаты түзеді. Бұл карбонаттар атмосферадан алынып, мұхит түбінде жиналады. Көп көлемдегі жанартау материалдарының жарылуы ауа райы процестерін күшейте алады, соның салдарынан атмосферадағы CO2 деңгейі төмендеп, жаһандық температураның төмендеуіне себеп болады. Мафикалық ірі магмалық провинциялардың жылдам орналасуы атмосферадағы CO2 мөлшерінің күрт төмендеуіне алып келіп, миллиондаған жылдарға созылатын мұздық климатқа ұшыратады. Нақты мысал – Жер тарихындағы ең ауыр және кең таралған мұздық оқиға саналатын Стуртиан мұз басуы. Бұл мұз басудың себебі – жарылған Франклин ірі магмалық провинциясының ауа райына ұшырауы деп саналады.

Бұрынғы жанартаулық салқындатулар

Ағаш сақиналары арқылы температураны қайта құру, шаң жамылғыларының тарихи жазбалары және мұз түйіндерін зерттеу соңғы бес мыңжылдықтағы ең суық жылдардың кейбіреуінің тікелей себебі масштабты вулкандық SO2 шығарылымдары екенін растады. Вулкандық жарылыстардың нәтижесінде туындаған жарты шар температура аномалиялары негізінен соңғы екі мыңжылдық үшін ағаш сақиналары деректеріне сүйене отырып қайта құрылды. Голоценнің ертерек кезеңдерінде, үлкен мұз түйінді сульфат шыңдарымен сәйкес келетін қырау сақиналарын анықтау қатаң вулкандық қыстардың көрсеткіші болып табылады. Соңғы мұз дәуіріндегі вулкандық салқындатуды сандық анықтау жылдық δ18O жазбалары арқылы мүмкін болады. Бұл вулкандық аэрозольдерге анық жатқызылған маңызды және салдарлы салқындатулардың толық емес тізімі, бірақ аэрозольдердің бастапқы вулкандары сирек анықталады. +Солтүстік жарты шардың вулкандық жарылыстарға байланысты анықталған салқындату эпизодтары. Салқындату эпизоды (Б.з.д./Б.з.) Вулкандық жарылыстар С.Ж. ең жоғары температура аномалиясы Ескермелер Сілтеме1991–19931991 Пинатубо тауының жарылысы−0.5 K1883–18861883 Кракатау жарылысы−0.3 K1809–18201808 жылғы құпия жарылыстар, 1815 Тамбора тауының жарылысы−1.7 KЖазда суық жыл1453–14601452 С.Ж. құпия жарылыстар, 1458 О.Ж. құпия жарылыстар−1.2 K1458 жылғы жарылысты Куае кальдерасына жатқызу мәселесі даулы болып қалады.1258–12601257 Самалас жарылысы−1.3 KОрта ғасырлардағы ең үлкен күкірт шығарылымы.536–546535 С.Ж. құпия жарылыстар, 540 тропикалық құпия жарылыс−1.4 KКейінгі Антикалық Ұсақ мұз дәуірінің бірінші кезеңі. −43–41Окмок II−2–3 KСоңғы мұз дәуіріндегі вулкандық салқындатулар, жалпы дәуірдегі ең үлкен вулкандық салқындатулармен (мысалы, Тамбора, Самалас) δ18O аномалиясының шамаларына сәйкес келеді. Атап айтқанда, 12 000–32 000 жыл бұрынғы кезеңдегі жарылыстардың δ18O салқындату аномалиясы біздің заманымыздағы ең үлкен жарылыстардан кейінгі аномалиядан асып түседі. Соңғы мұз дәуіріндегі маңызды жарылыстардың бірі – Ең жас Тоба туфының (YTT) жарылысы, ол климатқа тигізген әсері туралы белсенді пікірталастарды тудырды.

Tree ring based temperature reconstructions, historical records of dust veils, and ice cores studies have confirmed that some of the coldest years during the last five millennia were directly caused by massive volcanic injections of SO2. Hemispheric temperature anomalies resulting from volcanic eruptions have primarily been reconstructed based on tree ring data for the past two millennia. For earlier periods in the Holocene, the identification of frost rings that coincide with large ice core sulfate spikes serves as an indicator of severe volcanic winters. The quantification of volcanic coolings further back in time during the Last Glacial Period is made possible by annually resolved δ18O records. This is a non exhaustive compilation of notable and consequential coolings that have been definitively attributed to volcanic aerosols, although the source volcanos of the aerosols are rarely identified. +Northern Hemisphere cooling episodes definitively attributed to volcanic eruptionsCooling episode (CE/BCE)Volcanic eruptionsN. H. peak temperature anomalyNotesRef.1991–19931991 eruption of Mount Pinatubo−0.5 K1883–18861883 eruption of Krakatoa−0.3 K1809–18201808 mystery eruptions, 1815 eruption of Mount Tambora−1.7 KYear Without a Summer1453–14601452 N. H. mystery eruption, 1458 S. H. mystery eruption−1.2 KThe attribution of the 1458 eruption to Kuwae Caldera remains controversial.1258–12601257 Samalas eruption−1.3 KThe single largest sulfur injection of the Common Era.536–546535 N. H. mystery eruptions, 540 tropical mystery eruption−1.4 KThe first phase of Late Antique Little Ice Age. −43–41Okmok II−2–3 K
During the Last Glacial Period, volcanic coolings comparable to the largest volcanic coolings during the Common Era (e. g. Tambora, Samalas) are inferred based on the magnitudes of δ18O anomalies. In particular, in the period 12,000–32,000 years ago, the peak δ18O cooling anomaly of the eruptions exceeds the anomaly after the largest eruptions in the Common Era. One Last Glacial Period eruption that have gained significant attention is the eruption of the Youngest Toba Tuff (YTT), which has sparked vigorous debates regarding its climate effects.

Ең жас тоба туф

74 000 жыл бұрын Тоба кальдерінен болған YTT жарылысы төртінші кезеңдегі ең ірі жарылыс ретінде қарастырылады және ең ірі тарихи жарылыс – Тамбораның магма көлемінен екі рет артық. Бұл жарылыстың ерекше ауқымы климатқа тигізетін әсері жөніндегі пікірталасқа себеп болды. 74 000 жыл бұрын алынған полярлық мұз түйіршіктерінен алынған сульфат концентрациясы және изотоптық өлшемдер YTT-ге байланысты болуы мүмкін төрт атмосфералық аэрозольдік құбылысты анықтады. Бұл төрт құбылыс үшін есептелген стратосфералық сульфат жүктемесі 219-ден 535 миллион тоннаға дейін жетеді, бұл 1257 жылғы Самалас жарылысынан 1-3 есе көп. Жалқы климаттық модельдер осы көлемдегі жарылған сульфат аэрозольдері үшін 2,3-4,1 К орташа жаһандық салқындаудың ең жоғары шегін көрсетеді, ал температура толығымен 10 жыл ішінде қалпына келмейді. Дегенмен, YTT-нің салқындатуға тигізген эмпирикалық әсері әртүрлі. YTT Гренландияның 20-ші стадиалының (GS 20) басталуымен бірге жүреді, ол 1500 жылдық салқындау кезеңімен сипатталады. GS 20 соңғы 100 000 жылдағы ең экстремалды изотоптық және ең суық стадиал болып саналады, сондай-ақ ең әлсіз Азия муссонына ие. Бұл уақыт YTT мен GS 20 арасындағы байланыс туралы болжамдарға әкелді. YTT-нің GS 20 өтуіне қатысты стратиграфиялық орны, салқындау бұрыннан басталғандықтан, YTT болмағанда да стадиал орын алатынын көрсетеді. YTT GS 20-ның ең жоғары деңгейіне ықпал еткен болуы мүмкін. Оңтүстік Қытай теңізі YTT шөгіндісінен кейін 1000 жылдан астам уақыт бойы 1 К салқындауды көрсетсе, Араб теңізі ешқандай айқын әсерді көрсетпейді. Үндістан мен Бенгал шығанағында YTT күл қабатының үстінде бастапқы салқындау және ұзақ құрғақшылық байқалады, бірақ бұл экологиялық өзгерістер YTT-ден бұрын болған деп саналады. Малави көлінің шөгінділері YTT жарылысынан кейін бірнеше жыл ішіндегі «вулкандық қысқа» қолдау көрсететін деректерді ұсынбайды, бірақ шөгінділердің араласуына байланысты шөгінділердің ажыратылуы күмәнді. Малави көліндегі YTT қабатының үстінде 2000 жылдық мегақұрғақшылық пен салқындау кезеңінің дәлелі бар. Гренландия мұз түйіршігі YTT аэрозольдік құбылысынан кейін дереу 110 жылдық үдемелі салқындау кезеңін анықтады.

The eruption of YTT from Toba Caldera, 74,000 years ago, is regarded as the largest known Quaternary eruption and two orders of magnitude greater than the magma volume of the largest historical eruption, Tambora. The exceptional magnitude of this eruption has prompted sustained debate as to its global and regional impact on climate. Sulfate concentration and isotope measurements from polar ice cores taken around the time of 74,000 years BP have identified four atmospheric aerosol events that could potentially be attributed to YTT. The calculated stratospheric sulfate loadings for these four events range from 219 to 535 million tonnes, which is 1 to 3 times greater than that of the Samalas eruption in 1257 CE. Global climate models simulate peak global mean cooling of 2.3 to 4.1 K for this amount of erupted sulfate aerosols, and complete temperature recovery does not occur within 10 years. Empirical evidence for cooling induced by YTT, however, is mixed. YTT coincides with the onset of Greenland Stadial 20 (GS 20), which is characterized by a 1,500 year cooling period. GS 20 is considered the most isotopically extreme and coldest stadial, as well as having the weakest Asian monsoon, in the last 100,000 years. This timing has led some to speculate on the relation between YTT and GS 20. The stratigraphic position of YTT in relation to the GS 20 transition suggests that the stadial would have occurred without YTT, as the cooling was already underway. There is the possibility that YTT contributed to the extremity of GS 20. The South China Sea shows a 1 K cooling over 1,000 years following the deposition of YTT, while the Arabian Sea shows no discernible impact. In India and the Bay of Bengal, initial cooling and prolonged desiccation are observed above the YTT ash layer, but it is argued that these environmental changes were already occurring prior to YTT. Lake Malawi sediments do not provide evidence supporting a volcanic winter within a few years after the eruption of YTT, but the resolution of the sediments is questioned due to sediment mixing. Directly above the YTT layer in Lake Malawi, there is evidence of a 2,000 year long megadrought and cooling period. Greenland ice cores identify a 110 year period of accelerated cooling immediately following what is likely the YTT aerosol event.

Стурция мұздықтары

717 миллион жыл бұрын Стуртиан мұз басуының басталуына дейін жарылған континенттік су тасқыны базальттарының күшейтілген үгілуі Жер тарихындағы ең қатал мұз басудың себебі деп танылады. Осы кезеңде Жер бетінің температурасы барлық жерде судың қату температурасынан төмендеп, мұз төменгі ендіктерден экваторға қарай жылдам таралып, бүкіл әлемді жапты. Бұл мұз басу шамамен 60 миллион жылға созылды, 717-ден 659 миллион жылға дейін. Геохронологиялық зерттеулер Стуртиан мұз басуының басталуына 1 миллион жыл бұрын Франклин ірі магмалық провинциясының тез орналасқанын көрсетеді. 850 және 720 миллион жыл бұрын Родинияда да сол масштабтағы бірнеше ірі магмалық провинциялар пайда болды. Жаңа мафиялық материалдың көп мөлшерде үгілуі 1 миллион жылдан кейін күшті салқындануға және мұздың альбедо кері байланысына алып келді. Химиялық изотоптық құрамы мұхитқа үгілген, жаңадан жарылған материалдың көп мөлшерде түскенін көрсетеді, бұл ірі магмалық провинциялардың жарылыстарымен сәйкес келеді. Модельдеулер көрсеткендей, үгілудің артуы атмосфералық CO2 деңгейінің 1320 ppm-ға төмендеуіне және жаһандық температураның 8 K-қа салқындауына әкелді, бұл геологиялық жазбадағы климаттың ең керемет өзгеру эпизодына себеп болды.

Өмірге әсері

Халықтың бөтелке мойнына (тұйықталуына) себеп болатын нәрсе – бір түрдің популяциясының күрт төмендеуі, содан кейін тірі қалғандар арасындағы генетикалық айырмашылықтың (дифференциацияның) күрт өсуі – кейбір зерттеушілердің пікірінше, вулкандық қыстарға байланысты. Мұндай оқиғалар популяцияны "эволюциялық өзгерістердің, шағын популяцияларда одан да жылдам болатын, нәтижесінде популяцияның тез әртүрленуіне" жеткілікті деңгейге дейін азайтуы мүмкін. Тоба көлінің бөтелке мойны кезінде көптеген түрлер гендік қорының қысқаруының айқын әсерін көрсетті, ал Тоба адам популяциясын 15 000 мен 40 000 аралығына, тіпті одан да азырақ деңгейге дейін төмендеткен болуы мүмкін.