Eine neue Analyse von Aschewolken, die durch große Vulkanausbrüche entstanden sind, zeigt, dass sich die vorübergehenden Kühleffekte ändern, wenn die Umgebung heißer wird.
Am 15. Juni 1991 brach der Vulkan Mount Pinatubo auf den Philippinen mit einer katastrophalen Explosion aus, die so heftig war, dass der Vulkan in sich zusammenbrach. Seine Gas- und Aschewolke reichte etwa 40 km in die Luft, und in den folgenden Wochen trat die Wolke in die Stratosphäre ein und breitete sich rund um den Globus aus. Im darauffolgenden Jahr sank die globale Durchschnittstemperatur um etwa 0,5 Grad Celsius.
Ein Vulkan ist eine Öffnung in der Erdkruste, durch die heißes, geschmolzenes Gestein an die Oberfläche entweichen kann. Es lässt auch Gas und Asche aus dem heißen Erdinneren entweichen.
Vulkanausbrüche spielen eine wichtige Rolle bei der Abkühlung des Planeten. Die Schwefelgase aus den Vulkanschwaden verbinden sich mit anderen Gasen in der Atmosphäre, und diese Aerosole streuen die Sonnenstrahlung und reflektieren sie in den Weltraum. Wissenschaftler sind jedoch besorgt, dass der Klimawandel Eruptionen weniger effektiv bei der Reduzierung der globalen Temperaturen machen könnte. Diese Rückkopplungsschleife, in der der Klimawandel die Fähigkeit von Vulkanausbrüchen, steigende Temperaturen zu bekämpfen, behindern oder verstärken könnte, ist derzeit nicht in zukünftigen Klimaszenarien enthalten.
Das VOLCPRO Ziel des Projekts war es, zwei verschiedene Arten von Eruptionen zu untersuchen, um festzustellen, ob die globale Erwärmung ihre Kühlwirkung beeinträchtigen würde.
Thomas Aubry, Forscher an der University of Cambridge im Vereinigten Königreich und Marie-Skłodowska-Curie-Actions (MSCA)-Stipendiat bei VOLCPRO, fragte sich, ob ein Ausbruch wie der Mount Pinatubo hundert Jahre später dieselbe Abkühlungswirkung gehabt hätte eine Welt, in der der globale Temperaturanstieg – durch die Auswirkungen des Klimawandels – unkontrolliert weitergeht.
Eruption mit hoher Intensität
Die erste Art von Eruption, ähnlich wie beim Mount Pinatubo, ist als hochintensive Eruption bekannt. Dieser Typ stößt Asche- und Partikelwolken aus, die 25 km oder höher in die Atmosphäre reichen, und enthält Milliarden Tonnen Schwefelgase. Relativ selten kommt es alle paar Jahrzehnte zu einem Ausbruch dieser gewaltigen Art – der Mount Pinatubo war einer der größten Ausbrüche, die die Welt seit einem Jahrhundert erlebt hat.
Der zweite Typ ist kleiner, aber häufiger. „Wir haben uns gefragt, wie sich der Klimawandel auf diese beiden unterschiedlichen Arten von Eruptionen auswirken wird, die kleinen im Vergleich zu den großen“, sagte Aubry.
Das VOLCPRO-Team modellierte historische Eruptionen, die ihren Einfluss auf das Klima zeigen, und simulierte dann, was passieren würde, wenn dieselben Eruptionen in der Zukunft stattfinden würden, wenn sich das Klima geändert hat und die globalen Temperaturen heißer sind.
Ihre Simulationen stützten sich auf die Fortgeschrittenes Klimamodell des UK Met Office. „In diesem Modell (UK Met Office) haben wir ein weiteres Modell hinzugefügt, das den Aufstieg einer Vulkanfahne simulieren kann und wie hoch diese Vulkansäule beispielsweise in Abhängigkeit von den Windverhältnissen am Tag des Ausbruchs oder der Temperatur in der Atmosphäre steigen kann an dem Tag und so weiter“, sagte Aubry.
Bei den großen Eruptionen stellten sie fest, dass die Abkühlung durch die globale Erwärmung verstärkt würde, „was eine Art gute Nachricht ist“, sagte Aubry. „Mehr globale Erwärmung, mehr vulkanische Abkühlung.“
In einer wärmeren Atmosphäre steigen die Schwaden hochintensiver Eruptionen noch höher und ermöglichen es den winzigen Vulkanpartikeln, sich weiter zu bewegen. Dieser Nebel aus Aerosolen wird ein größeres Gebiet bedecken, mehr Sonnenstrahlung reflektieren und den vorübergehenden Kühleffekt dieser Vulkane verstärken.
Das Gegenteil war bei den kleineren, häufigeren Vulkanausbrüchen der Fall. In diesen Fällen vereitelten die heißeren Temperaturen die Kühleffekte der Eruptionen.
Bevor sie jedoch darauf drängen, dass ihre Ergebnisse in die Prognosen der Wissenschaftler zum globalen Klimawandel aufgenommen werden, möchte Aubry andere Vulkane und andere Modelle untersuchen, um ihre Ergebnisse zu untermauern.
VOLCPRO konzentrierte sich auf tropische Vulkane, da Eruptionen rund um den Äquator dazu neigen, das globale Klima zu beeinflussen, da sich die vulkanischen Partikel leicht auf beide Hemisphären ausbreiten. Durch die Einbeziehung von Vulkanen, die näher an den Polen liegen, können die Forscher bestimmen, wie andere Eruptionen auf höhere Temperaturen reagieren. Sie wollen auch mehr Klimamodelle einbeziehen, nicht nur die britischen, um sicherzustellen, dass ihre Ergebnisse robust sind.
Vulkanasche
Währenddessen arbeitet Elena Maters, eine ehemalige MSCA-Stipendiatin, die jetzt an der University of Cambridge im Vereinigten Königreich lebt, daran herauszufinden, was mit Vulkanasche in der Atmosphäre passiert und wie sie die Wolkenbildung und letztendlich das Klima beeinflusst.
Vulkanasche fördert die Eisbildung in der Atmosphäre, die letztendlich Wasser in Wolken ersetzt. Wolken sind eine der größten Fragezeichen in der Klimaforschung, und je besser wir verstehen, wie sie entstehen und sich verhalten, desto genauer werden unsere Modelle.
„Die allgemeine Annahme ist, dass sich flüssiges Wasser unter Null (Grad) in Eis verwandelt“, erklärte Maters. Das ist nicht immer der Fall und kleine Tröpfchen können bis etwa minus 35 Grad Celsius flüssig bleiben. Aber Partikel in der Atmosphäre schaffen „katalytische Oberflächen, die es Wassermolekülen erleichtern, einen Eiskristall zu bilden“.
Mineralstaub aus Sand, der in Wüstenregionen auf der ganzen Welt wie der Sahara und der Gobi-Wüste entsteht, ist die dominierende Quelle für Feststoffpartikel in der Atmosphäre. Es gibt jedoch viele andere Quellen, einschließlich Vulkanasche.
Das INOVA Ziel des Projekts war es, das Ausmaß zu bestimmen, in dem Vulkanasche die Eisbildung unterstützt.
„Im Jahresdurchschnitt befindet sich etwa zehnmal weniger Vulkanasche (als Mineralstaub) in der Atmosphäre“, sagte Maters. „Aber es kann große Eruptionen geben, die schnell innerhalb von Stunden bis Tagen riesige Mengen an Partikeln freisetzen können, und dies wurde in vielen Klimamodellen und sogar in Fällen, die sich mit den Auswirkungen von Vulkanen befassen, vernachlässigt.“
Eisbildung
Als Teil von INoVA untersuchten Maters und Kollegen die Wirksamkeit von Vulkanasche bei der Förderung der Eisbildung. Sie verglichen dies mit dem allgegenwärtigen Mineralstaub und testeten, welche Arten am erfolgreichsten waren.
Vulkanasche besteht hauptsächlich aus Glas mit einer Prise Mineralien wie Feldspäten und Eisenoxiden. Die Zusammensetzung der Asche hängt unter anderem von der Zusammensetzung des darunter brodelnden Magmas und der Geschwindigkeit ab, mit der es explosionsartig aus dem Vulkan geschleudert wird.
Frühere Studien verglichen nur eine Handvoll Aschetypen, sagte Maters, dessen Forschung sich auf die Reaktivität und Chemie von Vulkanasche konzentriert. „Man kann nicht zwei oder drei Proben messen und dann für alle Vulkanaschen und Vulkanausbrüche weltweit ein Fazit ziehen. Sie unterscheiden sich stark in der Glaszusammensetzung, dem Verhältnis von Glas zu Mineralien, den Mineralarten und damit den Experimenten, die ich gemacht habe versuchten, der Bandbreite der Wirksamkeit von Vulkanasche aus verschiedenen Arten von Eruptionen auf den Grund zu gehen“, sagte sie.
Maters nahm neun Ascheproben mit einer Reihe von Zusammensetzungen und verwendete sie, um durch Schmelzen und schnelles Abkühlen neun synthetische Proben herzustellen. Sie verglich diese 18 Proben, um herauszufinden, welche Eigenschaften Vulkanasche aktiver bei der Eisbildung machen. In einer weiteren Studie mit einer Gruppe am Karlsruher Institut für Technologie in Deutschland analysierten Maters und Kollegen weitere 15 vulkanische Proben, um ihre Eisherstellungseigenschaften zu identifizieren.
Sie schlug vor, dass die eisaktivste Komponente in Vulkanasche Alkalifeldspat ist, ein Mineral, das aus Aluminium, Silizium und Sauerstoff besteht und häufig in der Erdkruste vorkommt. „Mit diesem Verständnis dafür, welche Mineralien in Asche gut Eis bilden“, sagte Maters, „können Sie vielleicht vorhersagen, wann ein Vulkan ausbricht, ob dieser Vulkan, basierend auf seiner Magmazusammensetzung, aktives Eis produzieren könnte Asche.“
Während ihre Arbeit zuvor sehr laborbasiert war, habe die COVID-Pandemie sie zum Modeln gezwungen, scherzte sie. Sie untersucht nun die Vulkanausbrüche des Eyjafjallajökull in Island im Jahr 2010, um zu sehen, wie dabei eisbildende Partikel in die Atmosphäre eingeführt wurden und wie sich diese Partikel im Vergleich zum Überfluss an Mineralstaub darstellten.
Die Studie wird untersuchen, welche Rolle Vulkanasche bei der Eisbildung spielt, wenn wir sie tatsächlich in die Atmosphäre stecken. Es vergleicht es mit anderen Arten von Partikeln, wie z. B. Mineralstaub, und stellt die Frage: „Spielt es eine Rolle?“
Während bessere Klimamodelle entwickelt werden, „ist es ein Proof of Concept, um zu zeigen, dass es wichtig sein könnte, explosive Eruptionen einzubeziehen“, sagte Maters.
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