Als der Vulkan Hunga Tonga-Hunga Ha’apai am 15. Januar 2022 im Südpazifik ausbrach, erzeugte er eine weltweit spürbare Schockwelle und löste Tsunamis in Tonga, Fidschi, Neuseeland, Japan, Chile, Peru und den Vereinigten Staaten aus .
Es veränderte auch die Chemie und Dynamik der Stratosphäre im Jahr nach dem Ausbruch und führte zu beispiellosen Verlusten der Ozonschicht von bis zu 7 % in weiten Teilen der südlichen Hemisphäre, wie aus einer kürzlich in veröffentlichten Studie hervorgeht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften von der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) und der University of Maryland.
Auslöser dieser atmosphärischen Veränderungen war den Untersuchungen zufolge die schiere Menge an Wasserdampf, die der Unterwasservulkan in die Stratosphäre injizierte. Die Stratosphäre befindet sich etwa 8–30 Meilen über der Erdoberfläche und ist der Ort, an dem sich die schützende Ozonschicht befindet.
„Der Ausbruch des Hunga Tonga-Hunga Ha’apai war insofern wirklich außergewöhnlich, als er etwa 300 Milliarden Pfund Wasser in die normalerweise trockene Stratosphäre schleuderte, was einfach eine absolut unglaubliche Wassermenge aus einem einzigen Ereignis ist“, sagte David Wilmouth, ein Projektleiter Wissenschaftler am SEAS und Erstautor der Arbeit.
„Dieser Ausbruch hat uns auf unbekanntes Terrain geführt“, sagte Ross Salawitch, Professor am Earth System Science Interdisciplinary Center der University of Maryland und Mitautor der Studie. „Wir haben noch nie in der Geschichte der Satellitenaufzeichnungen gesehen, dass so viel Wasserdampf in die Atmosphäre injiziert wurde, und unser Artikel ist der erste, der die nachgelagerten Folgen für weite Regionen beider Hemisphären in den Monaten nach dem Ausbruch anhand von Satellitendaten untersucht.“ ein globales Modell.“
Der Ausbruch von Hunga Tonga-Hunga Ha’apai war die größte jemals in der Atmosphäre aufgezeichnete Explosion. Der Ausbruch schleuderte Aerosole und Gase tief in die Stratosphäre. Ein Teil des Materials erreichte die untere Mesosphäre, mehr als 30 Meilen über der Erdoberfläche, Höhen, die bei einem Vulkanausbruch nie gemessen wurden. Frühere Studien ergaben, dass der Ausbruch den Wasserdampf in der Stratosphäre weltweit um 10 % erhöhte, wobei die Konzentration in einigen Gebieten der südlichen Hemisphäre sogar noch höher war.
Wilmouth, Salawitch und der Rest des Forschungsteams nutzten Daten des Microwave Limb Sounder (MLS) an Bord des NASA-Satelliten Aura, um nicht nur zu verfolgen, wie sich dieser Wasserdampf über den Globus bewegte, sondern auch um die Temperatur und den Chlormonoxidgehalt (ClO) zu überwachen. , Ozon (O3), Salpetersäure (HNO3) und Chlorwasserstoff (HCl) in der Stratosphäre für das Jahr nach dem Ausbruch. Anschließend verglichen sie diese Messungen mit Daten, die MLS von 2005 bis 2021 vor dem Ausbruch gesammelt hatte.
Das Team fand heraus, dass die Injektion von Wasserdampf und Schwefeldioxid (SO2) sowohl die Chemie als auch die Dynamik der Stratosphäre veränderte. Aus chemischer Sicht führte das SO2 zu einer Zunahme von Sulfataerosolen, die neue Oberflächen für das Ablaufen chemischer Reaktionen boten.
„Bestimmte Reaktionen, die möglicherweise überhaupt nicht oder nur langsam ablaufen, können schneller ablaufen, wenn Aerosole verfügbar sind, auf denen diese Reaktionen stattfinden können“, sagte Wilmouth. „Die Injektion von SO2 aus dem Vulkan ermöglichte die Bildung von Sulfat-Aerosolen und die Anwesenheit von Wasserdampf führte zur zusätzlichen Produktion von Sulfat-Aerosolen.“
Die erhöhten Sulfataerosole und Wasserdampf lösten eine Kette von Ereignissen in der komplexen atmosphärischen Chemie aus, die zu weitreichenden Konzentrationsänderungen einer Reihe von Verbindungen, einschließlich Ozon, führte.
Der zusätzliche Wasserdampf hatte auch einen kühlenden Effekt in der Stratosphäre und führte zu einer Änderung der Zirkulation, die zu einem Rückgang des Ozons in der südlichen Hemisphäre und einem Anstieg des Ozons über den Tropen führte.
Die Forscher fanden heraus, dass der höchste Ozonrückgang im Oktober, neun Monate nach dem Ausbruch, auftrat.
„Wir hatten diesen enormen Anstieg des Wasserdampfs in der Stratosphäre mit einem moderaten Anstieg des Sulfats, der eine Reihe von Ereignissen auslöste, die zu erheblichen Änderungen der Temperatur und der Zirkulation von ClO, HNO3, HCl, O3 und anderen Gasen führten“, sagte Wilmouth.
Als nächstes hoffen die Forscher, die Studie fortzusetzen, indem sie die Auswirkungen des Vulkans bis ins Jahr 2023 und darüber hinaus verfolgen, während der Wasserdampf von den Tropen und mittleren Breiten zum Pol der südlichen Hemisphäre wandert, wo er das Potenzial hat, die Ozonverluste in der Antarktis zu verstärken. Es wird erwartet, dass der Wasserdampf über einen Zeitraum von mehreren Jahren in der Stratosphäre verbleibt.
Die Forschung wurde von James Anderson, dem Philip S. Weld-Professor für Atmosphärenchemie am SEAS, mitverfasst; Freja Østerstrøm und Jessica Smith.
Mehr Informationen:
David M. Wilmouth et al., Einfluss des Vulkanausbruchs Hunga Tonga auf die Zusammensetzung der Stratosphäre, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2301994120