Вулканические извержения и аномалии температуры: влияние на климат

Введение

Температурная аномалия, вызванная извержением вулкана

Вулканическая зима – это снижение глобальных температур, вызванное затемнением Солнца каплями серной кислоты и повышением альбедо Земли (увеличением отражения солнечного излучения) после крупного, богатого серой и особенно мощного извержения вулкана. Климатические эффекты в первую очередь зависят от объема выброса SO2 и H2S в стратосферу, где они реагируют с OH и H2O, образуя H2SO4 в течение недели, а образовавшиеся аэрозоли H2SO4 оказывают доминирующее радиационное воздействие. Вулканические стратосферные аэрозоли охлаждают поверхность, отражая солнечное излучение, и нагревают стратосферу, поглощая тепловое излучение Земли в течение нескольких лет. Более того, тенденция к охлаждению может быть усилена обратными связями между атмосферой, льдом и океаном. Эти обратные связи способны поддерживать прохладный климат даже после рассеивания вулканических аэрозолей.

Физический процесс

Взрывное извержение вулкана выбрасывает в атмосферу магматические материалы в виде вулканического пепла и газов. В то время как большая часть вулканического пепла оседает на землю в течение нескольких недель после извержения, оказывая влияние лишь на локальную территорию в течение короткого периода, выброшенный SO2 может приводить к образованию аэрозолей H2SO4 в стратосфере. Эти аэрозоли могут обходить полушарие, где произошло извержение, за несколько недель и сохраняться со временем полураспада около года. В результате они оказывают радиационное воздействие, которое может продолжаться несколько лет. Последующее рассеяние вулканического облака в стратосфере и его влияние на климат существенно зависят от нескольких факторов, включая сезон извержения, широту источника вулкана и высоту выброса. Если высота введения SO2 ограничена тропосферой, образующиеся аэрозоли H2SO4 имеют время жизни всего несколько дней из-за эффективного удаления посредством осадков. Время жизни аэрозолей H2SO4, образующихся в результате экстратропических извержений, короче, чем в случае тропических извержений, из-за более длинного пути переноса из тропиков к удалению через тропопаузу средних или высоких широт, однако экстратропические извержения усиливают климатическое воздействие на полушарие, ограничивая распространение аэрозолей одним полушарием. Введение веществ зимой также значительно менее эффективно с точки зрения радиации, чем летом, особенно для вулканических извержений на высоких широтах, где удаление стратосферных аэрозолей в полярных регионах усиливается. Сульфатные аэрозоли сильно взаимодействуют с солнечным излучением посредством рассеяния, вызывая замечательные атмосферные оптические явления в стратосфере. К этим явлениям относятся ослабление солнечного света, короны или кольца Бишопа, необычная окраска сумерек и темные полные лунные затмения. Исторические записи, документирующие эти атмосферные явления, свидетельствуют о вулканических зимах и датируются периодами, предшествующими нашей эре. Наблюдения температуры поверхности после исторических извержений показывают отсутствие корреляции между масштабом извержения, определяемым по индексу VEI или объему извержения, и степенью похолодания климата. Это связано с тем, что масштаб извержения не коррелирует с количеством выброшенного SO2.

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.

Долгосрочная положительная обратная связь

Было предложено, что охлаждающее воздействие вулканических извержений может простираться за пределы первых нескольких лет, сохраняясь на протяжении десятилетий и, возможно, даже тысячелетий. Считается, что это продолжительное воздействие является результатом механизмов положительной обратной связи, включающих динамику льда и океана, даже после рассеивания аэрозолей H2SO4. В течение первых нескольких лет после извержения вулкана присутствие аэрозолей H2SO4 может вызывать значительное охлаждение. Это охлаждение может привести к повсеместному понижению границы снежного покрова, способствуя быстрому расширению морского льда, ледяных щитов и континентальных ледников. В результате температура океана снижается, а поверхностная альбедо увеличивается, что дополнительно усиливает расширение морского льда, ледяных щитов и ледников. Эти процессы создают мощную положительную обратную связь, позволяющую тенденции к охлаждению сохраняться на протяжении столетий и даже более длительных периодов времени. Предполагается, что серия близко расположенных крупных вулканических извержений спровоцировала или усилила Малый ледниковый период, Поздний античный Малый ледниковый период, стадиалы, более молодой дриас, события Хенриха и события Дансгара-Эшгера посредством положительной обратной связи между атмосферой, льдом и океаном.

Влияние атмосферы

Выветривание достаточно большого объема быстро извергающихся вулканических материалов было предложено в качестве важного фактора в цикле силикатного выветривания Земли, который протекает в масштабе времени, исчисляемом десятками миллионов лет. В ходе этого процесса выветрившиеся силикатные минералы реагируют с углекислым газом и водой, образуя карбонат магния и карбонат кальция. Эти карбонаты затем удаляются из атмосферы и секвестрируются на дне океана. Извержение большого объема вулканических материалов может усилить процессы выветривания, тем самым снижая концентрацию CO2 в атмосфере и способствуя глобальному понижению температуры. Быстрое формирование мафических крупных магматических провинций потенциально может вызвать резкое снижение содержания CO2 в атмосфере, приводящее к многомиллионному ледниковому периоду. Ярким примером является Стуртианское оледенение, которое считается самым сильным и масштабным ледниковым событием в истории Земли. Считается, что причиной этого оледенения стало выветривание вулканических пород Франклинской крупной магматической провинции.

Прошлое вулканическое охлаждение

Реконструкции температуры на основе колец деревьев, исторические записи о пылевых завесах и исследования ледяных кернов подтвердили, что некоторые из самых холодных лет за последние пять тысячелетий были непосредственно вызваны массивными вулканическими выбросами SO2. Аномалии температуры полушарий, вызванные вулканическими извержениями, в основном реконструированы на основе данных о кольцах деревьев за последние два тысячелетия. Для более ранних периодов голоцена индикатором суровых вулканических зим служит выявление годовых колец мороза, совпадающих с крупными пиками сульфатов в ледяных кернах. Количественная оценка вулканических похолоданий в более ранние времена последнего ледникового периода стала возможной благодаря годовым записям δ18O. Это не исчерпывающая подборка значительных и существенных похолоданий, которые однозначно связаны с вулканическими аэрозолями, хотя источники этих аэрозолей редко удается установить. +Эпизоды охлаждения Северного полушария, однозначно связанные с извержениями вулкановЭпизод охлаждения (CE/BCE)Вулканические изверженияПиковая температурная аномалия С.Ш.ПримечанияСсылка1991–1993Извержение горы Пинатубо 1991 г.−0,5 K1883–1886Извержение Кракатау 1883 г.−0,3 K1809–1820Таинственные извержения 1808 г., извержение горы Тамбора 1815 г.−1,7 K«Год без лета»1453–1460Таинственное извержение в С.Ш. 1452 г., таинственное извержение в Ю.Ш. 1458 г.−1,2 KПриписывание извержения 1458 г. кальдере Куаэ остаётся предметом споров.1258–1260Извержение Самалас 1257 г.−1,3 KКрупнейший выброс серы в нашей эре.536–546Извержения в С.Ш. 535 г., тропическое извержение 540 г.−1,4 KПервая фаза Позднеантичного малого ледникового периода.-43–41Окмок II−2–3 KВ течение последнего ледникового периода вулканические похолодания, сопоставимые с крупнейшими вулканическими похолоданиями в нашей эре (например, Тамбора, Самалас), оцениваются на основе величины аномалий δ18O. В частности, в период 12 000–32 000 лет назад пиковая аномалия охлаждения δ18O, вызванная извержениями, превышает аномалию после крупнейших извержений в нашей эре. Одним из извержений последнего ледникового периода, привлекшим значительное внимание, является извержение Молодого туфа Тоба (YTT), которое вызвало оживлённые дебаты относительно его климатических последствий.

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.

Самый молодой туф Тоба

Извержение YTT из кальдеры Тоба 74 000 лет назад считается крупнейшим из известных извержений четвертичного периода и на два порядка превосходит объем магмы крупнейшего исторического извержения Тамборы. Исключительная мощность этого извержения вызвала продолжительные дебаты относительно его глобального и регионального влияния на климат. Концентрация сульфатов и изотопные измерения в полярных ледяных кернах, полученных примерно в 74 000 лет до нашей эры, выявили четыре атмосферных аэрозольных события, которые потенциально могут быть связаны с YTT. Расчетная нагрузка стратосферных сульфатов для этих четырех событий составляет от 219 до 535 миллионов тонн, что в 1–3 раза превышает нагрузку, вызванную извержением Самалас в 1257 году нашей эры. Глобальные климатические модели прогнозируют пиковое глобальное среднее охлаждение от 2,3 до 4,1 К при таком количестве изверженных сульфатных аэрозолей, и полное восстановление температуры не происходит в течение 10 лет. Однако эмпирические свидетельства охлаждения, вызванного YTT, неоднозначны. YTT совпадает с началом Гренландского стадиала 20 (GS 20), характеризующегося периодом охлаждения продолжительностью 1500 лет. GS 20 считается самым изотопно экстремальным и холодным стадиалом, а также стадиалом с самым слабым азиатским муссоном за последние 100 000 лет. Эта временная связь побудила некоторых предположить о взаимосвязи между YTT и GS 20. Стратиграфическое положение YTT относительно перехода GS 20 указывает на то, что стадиал произошел бы и без YTT, поскольку охлаждение уже происходило. Существует вероятность, что YTT способствовал экстремальности GS 20. В Южно-Китайском море наблюдается охлаждение на 1 К в течение 1000 лет после отложения пепла YTT, в то время как в Аравийском море заметного воздействия не обнаружено. В Индии и Бенгальском заливе над слоем пепла YTT наблюдается начальное охлаждение и продолжительная засуха, однако утверждается, что эти изменения в окружающей среде происходили и до YTT. Осадки озера Малави не предоставляют доказательств вулканической зимы в течение нескольких лет после извержения YTT, но разрешение осадочных отложений вызывает вопросы из-за перемешивания осадков. Непосредственно над слоем YTT в озере Малави обнаружены свидетельства 2000-летнего периода мегазасухи и охлаждения. Гренландские ледяные керны выявили 110-летний период ускоренного охлаждения сразу после события, связанного с аэрозолями YTT.

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.

Струцианское оледенение

Усиленное выветривание континентальных потоковых базальтов, извергшихся непосредственно перед началом Стурцианского оледенения 717 миллионов лет назад, признано триггером самого сильного оледенения в истории Земли. В этот период температура поверхности Земли повсеместно опускалась ниже точки замерзания воды, а лёд быстро распространялся от низких широт к экватору, покрывая всю планету. Это оледенение продолжалось около 60 миллионов лет, с 717 по 659 миллионов лет назад. Геохронологические данные указывают на быстрое формирование крупной магматической провинции Франклина всего за 1 миллион лет до начала Стурцианского оледенения. Множественные крупные магматические провинции сопоставимого масштаба также формировались на Родинии в период с 850 по 720 миллионов лет назад. Выветривание огромных объёмов свежих мафических пород инициировало неуправляемое охлаждение и положительную обратную связь альбедо льда спустя 1 миллион лет. Химический изотопный состав свидетельствует о массивном потоке выветренных, недавно извергнутых материалов, поступающих в океан, что совпадает с извержениями крупных магматических провинций. Моделирование показывает, что повышенная выветриваемость привела к снижению концентрации атмосферного CO2 на 1320 ppm и к охлаждению глобальных температур на 8 K, вызвав самый выдающийся эпизод изменения климата в геологической летописи.

Влияние на жизнь

Причины "узкого места" популяции – резкое сокращение численности вида, сразу же за которым следует период значительной генетической дивергенции (дифференциации) среди выживших – некоторые исследователи связывают с вулканическими зимами. Такие события могли сократить популяции до "уровня, достаточно низкого для эволюционных изменений, которые происходят гораздо быстрее в малых популяциях, что приводит к быстрой дифференциации популяции". В случае "узкого места" у озера Тоба многие виды продемонстрировали значительное сужение генофонда, и, возможно, Тоба сократило численность человеческой популяции до 15 000 – 40 000 человек или даже меньше.