Как вулканы влияют на климат
Как вулканы влияют на климат?
Себастьян Креспо / Getty Images
Вулканы изменяют климат Земли, нагревая и охлаждая его. Их чистое воздействие на климат сегодня невелико по сравнению с антропогенными загрязнителями.
Даже в этом случае изменение климата, вызванное в доисторические времена почти постоянными извержениями, а за последние несколько столетий несколькими эпическими извержениями, служит предупреждением: оно помогает нам представить жизнь на Земле, если мы позволим окружающей среде разрушаться из-за нашей халатности.
Вулканы доисторической эпохи
Количество извержений вулканов в зарегистрированной истории бледнеет по сравнению с тем, что ученые узнали о вулканической активности в доисторические времена.
Примерно 252 миллиона лет назад на обширной территории современной Сибири вулканы непрерывно извергались в течение примерно 100 000 лет. (Это может показаться долгим сроком, но с геологической точки зрения это мгновение ока.) (1)
Вулканические газы и пепел, которые ветер разнес по всему миру, вызвали каскад климатических изменений. Результатом стал катастрофический всемирный коллапс биосферы, в результате которого погибло 95% всех видов на Земле. Геологи называют это событие Великим вымиранием. (2, 3)
Вулканические катастрофы в исторические времена
До 1815 года гора Тамбора на индонезийском острове Сумбава считалась потухшим вулканом. В апреле того же года он дважды взорвался. Гора Тамбора когда-то была около 4267 метров в высоту. После взрывов она стала всего на две трети высоты. (4)
Кратер стратовулкана Тамбора примерно через 200 лет после взрыва. Юс Иран / EyeEm / Getty Images
Большая часть жизни на острове была уничтожена. Оценки человеческих смертей широко варьируются: от 10 000 человек, убитых мгновенно, как сообщается в научном журнале Smithsonian Magazine, до 92 000, которые, по данным Геологической службы США (USGS), умерли в основном от голода после того, как вулканические газы и пепел разрушили землю и изменили климат. За исключением четырех счастливчиков, все королевство Тамбора (численность 10 000 человек) исчезло в результате взрывов. (5, 6, 7, 8)
Из-за быстрого попадания в атмосферу пепла и газов муссоны в Азии развивались медленнее, что приводило к засухам, которые приводили к голоду. За засухой последовали наводнения, изменившие микробную экологию Бенгальского залива. Похоже, именно это привело к возникновению нового варианта холеры и глобальной пандемии холеры. В начале девятнадцатого века органы общественного здравоохранения не координировали свои действия, поэтому число погибших от пандемии трудно определить. По не окончательным оценкам оно исчисляется десятками миллионов. (9, 10, 11)
К следующему году глобальное похолодание, вызванное Тамборой, было настолько сильным, что 1816 год часто вспоминают как «год без лета» и как «небольшой ледниковый период». Снежные бури обрушились на Северную Америку и некоторые части Европы в летние месяцы, убивая урожай и домашний скот, создавая голод, беспорядки и кризис беженцев. Картины года показывают темное небо странного цвета. (12, 13, 14)
Помимо вулкана Тамбора и удручающе большого количества других вулканических катастроф, в исторические времена дела не были столь драматичными, как в доисторические. (15)
По данным USGS, вдоль океанических хребтов Земли, где тектонические плиты скользят друг мимо друга под глубокой водой, расплавленная порода из перегретой мантии Земли постоянно поднимается из глубины земной коры и создает новое дно океана. Технически все места вдоль хребта, где расплавленная порода встречается с водой океана, являются вулканами. Помимо этих мест, в мире насчитывается около 1500 потенциально активных вулканов, и только около 500 из них извергались в зарегистрированной истории. Их влияние на климат было серьезным, но в основном кратковременным. (16)
Что такое вулканы
Вулканы – это отверстия в земной коре, через которые выходит пепел, горячие газы и расплавленная порода (также известная как «магма» и «лава»), когда магма проталкивается через земную кору и выходит за пределы гор или вершин. (17)
Некоторые вулканы извергаются медленно, как будто они выдыхают. Для других извержения носят взрывной характер. Со смертельной силой и температурой вырывается лава, горящие куски твердой породы и газы. (В качестве примера того, сколько материала может извергнуть вулкан, Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) считает, что вулкан Тамбора выбросил 50 кубических километров пепла. (18, 19)
Извержение вулкана Тамбора было крупнейшим в истории человечества. Несмотря на это, вулканы в целом выбрасывают много пепла, а также газы. Когда гора «взрывается» на своей вершине, выбрасываемые газы могут достигать стратосферы, которая представляет собой слой атмосферы, простирающийся от 9,5 до 50 километров над поверхностью Земли. (20)
Влияние пепла и газов вулканов на климат
Мгла вулканического пепла («вог»). Кристин фон Дипенбрук / Getty Images
В то время как вулканы перегревают окружающий воздух и повышают температуру локально, в то время как гора и ее лава остаются раскаленными докрасна, глобальное похолодание является более продолжительным и глубоким эффектом.
Глобальное потепление
Одним из основных газов, выбрасываемых вулканами, является углекислый газ (CO2), который также является антропогенным парниковым газом, наиболее ответственным за нагревание климата Земли. CO2 согревает климат, улавливая тепло. Он пропускает коротковолновое излучение Солнца через атмосферу, но при этом блокирует примерно половину образующейся тепловой энергии (которая представляет собой длинноволновое излучение) от выхода из атмосферы Земли и возвращения в космос. (21, 22)
По оценкам USGS, вулканы ежегодно выделяют в атмосферу около 260 миллионов тонн CO2. Даже в этом случае выбросы CO2 вулканами, вероятно, не оказывают значительного влияния на климат. (21)
По оценкам NOAA, люди отравляют атмосферу Земли, выделяя в 60 раз больше CO2, чем вулканы. USGS предполагает, что разница еще больше; эта служба сообщает, что вулканы выделяют менее 1% CO2, выделяемого людьми, и что «углекислый газ, выделяемый при современных извержениях вулканов, никогда не вызывал заметного глобального потепления атмосферы». (21, 22)
Глобальное похолодание, кислотные дожди и озон
Как показали последствия взрывов на горе Тамбора, глобальное похолодание, вызванное вулканами, представляет собой огромную опасность. Кислотные дожди и разрушение озонового слоя – другие катастрофические последствия вулканов.
Глобальное похолодание
Из-за газа: Помимо CO2, вулканические газы включают диоксид серы (SO2). По данным USGS, SO2 является наиболее серьезной причиной глобального похолодания, вызванного вулканическими процессами. SO2 превращается в серную кислоту (H2SO4), которая конденсируется в мелкие капли сульфата, которые объединяются с вулканическим паром и создают беловатую дымку, которую обычно называют «вог» (вулканический смог). Обдуваемый ветром по всему миру, вог отражает обратно в космос почти все падающие солнечные лучи, с которыми сталкивается. (21, 23, 24, 25)
Агентство по охране окружающей среды (EPA) отмечает, что основным источником дымки SO2 является «сжигание ископаемого топлива на электростанциях и других промышленных объектах». (26)
Антропогенные и вулканические выбросы CO2
Из-за пепла: Вулканы выбрасывают в небо тонны крошечных осколков камней, минералов и стекла. В то время как более крупные куски этого «пепла» довольно быстро выпадают из атмосферы, самые маленькие поднимаются в стратосферу и остаются на очень больших высотах, где их обдувает ветер. Миллионы или миллиарды мельчайших частиц пепла отражают входящие солнечные лучи от Земли обратно к Солнцу, охлаждая климат Земли до тех пор, пока пепел остается в стратосфере. (21, 27, 28)
Газы и пепел: Геофизики из нескольких учреждений в Боулдере, провели моделирование климата и сравнили свои результаты с наблюдениями, полученными со спутников и самолетов после тропического извержения вулкана Келуд в феврале 2014 года. Они обнаружили, что стойкость SO2 в атмосфере в значительной степени зависела от того, покрыт ли он частицами золы. Больше SO2 на золе привело к более длительному сохранению SO2, способному охлаждать климат.
Кислотный дождь
Можно представить, что простым решением проблемы глобального потепления было бы намеренное наполнение стратосферы SO2 для охлаждения. Однако в стратосфере присутствует соляная кислота (HCl). Это связано с тем, что на Земле сжигается промышленный уголь, а также потому, что его выбрасывают вулканы. (29)
Когда SO2, HCl и вода осаждаются на Землю, они становятся кислотными дождями, которые удаляют питательные вещества из почвы и вымывают алюминий в водные пути, убивая многие виды морских обитателей. Если бы ученые попытались противостоять глобальному потеплению с помощью SO2, они могли бы нанести серьезный ущерб.
Помимо способности выпадать в осадок в виде кислотных дождей, вулканический HCl представляет еще одну опасность: он угрожает озоновому слою Земли, который защищает ДНК всех растений и животных от разрушения неограниченным ультрафиолетовым солнечным излучением. HCl быстро распадается на хлор (Cl) и монооксид хлора (ClO). Cl разрушает озон. По данным EPA, «один атом хлора может разрушить более 100 000 молекул озона». (30, 31)
Спутниковые данные после извержений вулканов на Филиппинах и в Чили показали 15–20% потерю озона в стратосфере над вулканами. (32)
Подведем итог
Алекси Илпала / Getty Images
По сравнению с антропогенным загрязнением, вклад вулканов в изменение климата невелик. Угрожающие климату CO2, SO2 и HCl в атмосфере Земли в основном являются прямым результатом промышленных процессов. (Зола от сжигания угля в основном является наземным загрязнителем и загрязнителем более низкого уровня атмосферы, поэтому ее вклад в изменение климата может быть ограниченным.)
Несмотря на относительно незначительную роль, которую вулканы обычно играют в изменении климата, наводнения, засухи, голод и болезни, последовавшие за мегавулканами, могут служить предупреждением. Если антропогенное загрязнение атмосферы продолжится, наводнения, засухи, голод и болезни могут стать непреодолимыми.
Работает экологическим и научным журналистом более 15 лет. Пишет о науке, культуре, космосе и устойчивом развитии. Внештатный автор сайта «Знание – свет».
Вулканом по климату: можно ли за один день «отменить» потепление
МОСКВА, 26 авг — РИА Новости, Ольга Добровидова. Извержение вулкана Кракатау 130 лет назад, в августе 1883 года, помимо разрушительных последствий, имело и одно «художественное» — Кракатау на несколько месяцев «раскрасил» закаты в ярко-красный цвет, причем даже там, где об извержении могли только прочитать в газетах.
Есть у «жизнедеятельности» вулканов и не настолько красочные последствия, которые, тем не менее, ощущаются годами. Выбрасывая высоко в атмосферу пепел, пыль и газы, вулкан неожиданно и довольно серьезно вмешивается в работу глобальной климатической системы. Для самых мощных извержений в современной истории такие вмешательства оказывались настолько заметными, что дали некоторым скептикам повод объявлять влияние человека на климат незначительным, а то и несуществующим.
Защитить от потепления
Степень влияния извержения вулкана на климат зависит от мощности извержения, причем не только от массы выбрасываемых газов и мелких частиц, которые ученые называют аэрозолями, но и от высоты, на которую они выбрасываются. Если вулкан «выстрелил» достаточно высоко, то в стратосфере, на высоте более 15-20 километров, продукты извержения могут задержаться на несколько лет.
«Такой «аэрозольный экран» на время своего существования сокращает количество коротковолновой солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, но в то же время с ростом концентрации парниковых газов увеличивается и парниковый эффект. Некоторое время действие «экрана» пересиливает конкурента, и на период его существования наблюдается некоторое снижение температуры. С разрушением «экрана» поток коротковолновой радиации к земной поверхности резко усиливается, и происходит скачок температуры», — объяснил Киселев.
Надолго ли хватает
«Конечно, извержение вулкана сказывается на текущей погоде в его окрестности во время и сразу после извержения, но едва ли заметно, например, на другом континенте, поскольку для того, чтобы вулканические продукты попали в другое полушарие, потребуется несколько месяцев», — отметил ученый.
Наблюдения показывают, что вулканы могу заметно охладить планету — после другого знаменитого извержения, филиппинского вулкана Пинатубо в 1991 году, средняя глобальная температура уже в следующем году, по оценкам ученых, «потеряла» 0,5 градуса Цельсия. Однако выделить «сигнал» от вулканов и достоверно уличить их в «торможении» потепления непросто, поскольку в течение тех самых нескольких лет происходит и множество других влияющих на климат событий — это задача для специалистов по климатическим моделям, говорит Киселев.
Грозный Кракатау
Александр Стиклер из Бернского университета в своем обзоре исследований о климатических последствиях извержения Кракатау пишет, что именно извержение 1883 года заставило ученых задуматься о том, как именно вулканы «охлаждают» Землю. И это неудивительно, ведь последнее извержение Кракатау до сих пор остается одним из самых мощных и самым громким звуком в истории наблюдений.
«Изученность влияния вулканов на климат, безусловно, недостаточна. Более или менее полные измерения стало возможно делать лишь недавно, особенно с появлением спутникового мониторинга, до этого делались немногочисленные измерения и проводились модельные исследования, позволившие составить качественную картину воздействия извержений вулканов на климат Земли, но не более того», — говорит Киселев.
Базировались такие исследования, главным образом, на материале по извержениям уже упомянутого Пинатубо и мексиканского вулкана Эль-Чичон, извергавшегося в 1982 году. Сейчас же очень богатый материал ученым подарил незабвенный Эйяфьядлайокудль — он, правда, выбросил в атмосферу «всего» 15 миллионов тонн пепла и пыли, которые намного быстрее «вымываются» из атмосферы, и поэтому серьезного влияния на климат не оказал.
Научиться у вулканов
Именно механизм «вулканического» охлаждения в свое время подсказал ученым идею геоинжиниринга — активного воздействия на климат Земли для борьбы с глобальным потеплением. Если вулкан может «забросить» в стратосферу сернокислый аэрозоль, имеющий антипарниковый эффект, то почему бы это не сделать человеку?
Во-вторых, рано или поздно сернокислый аэрозоль вернется на поверхность Земли, нарушив привычный режим осадков. Он также заметно «закислит» воды Мирового океана — что вдвойне обидно, поскольку, снимая «симптомы» в виде потепления, такой метод геоинжиниринга никак не решает проблему роста концентрации CO2 в атмосфере, который, в свою очередь, тоже приводит к повышению кислотности океана.
«Воплощение идеи геоинжиниринга далеко не безобидно, поэтому всякий раз принятию взвешенного решения должна предшествовать всесторонняя научная экспертиза», — подчеркнул Киселев.
Ученые раскрыли необычную роль вулканов в изменении климата
МОСКВА, 24 окт – РИА Новости. Извержения вулканов не только охлаждают планету, выбрасывая в воздух гигантское количество аэрозолей, но и заставляют ледники таять быстрее из-за огромных масс пепла, выбрасываемых в ходе этих же самых катаклизмов, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
«Все мы знаем, что темный снег и лед тают быстрее, чем их белые аналоги, это все очень простая и очевидная вещь даже для ребенка. Но, с другой стороны, раньше никому не удавалось показать, что вспышки вулканизма и эпизоды быстрого таяния льдов в прошлом были связаны между собой», — заявил Франческо Мускитьелло (Francesco Muschitiello) из университета Колумбии (США).
Вулканы Земли сегодня считаются одним из ключевых «дирижеров» климата нашей планеты. Они могут как повышать температуры на ее поверхности, выбрасывая огромные массы углекислоты и других парниковых газов так и понижать ее, заполняя атмосферу Земли частицами пепла и микрокаплями аэрозолей, отражающими лучи и тепло Солнца.
Мускитьелло и его коллеги выяснили, что вулканы не всегда однозначно влияют на климат, одновременно вызывая и таяние льдов, и «вулканическую зиму», изучая отложения ила, формировавшиеся на дне пересохшего Балтийского ледникового озера. Оно представляло собой крупный временный водоем, покрывавший существенную часть современной Скандинавии в ледниковую эпоху летом, когда талая вода с ледников начинала стекать в котловину будущего Балтийского моря.
Как вулканы влияют на климат
Столб вулканического пепла в атмосфере. Фото: Björn Oddsson / Nature Geoscience
Большая часть опасных разломов в земной коре находится в пределах Тихоокеанского вулканического кольца. Огненный пояс, как его еще называют, простирается вдоль берегов Южной и Северной Америки, Камчатки, Японии, Филиппин, Новой Зеландии и Антарктиды.
Когда наша планета была еще совсем юной, она содрогалась от бессчетного количества подземных толчков, а из ядра постоянно вырывались расплавленные породы и газы. Во многом, как считают ученые, вулканическая активность способствовала становлению Земли как колыбели жизни. Но для современных людей извержение — это всегда катастрофа, последствия которой могут быть ужасающими.
На краю угрозы — от Атлантиды до наших дней
Один из известнейших природных катаклизмов в истории — пробуждение вулкана Санторини. Это событие, произошедшее примерно в середине второго тысячелетия до нашей эры, привело к закату Минойской цивилизации. Есть мнение, что именно его описывал древнегреческий историк Платон, связавший выход из спячки этого огнедышащего исполина с затоплением мифической Атлантиды.
Вид на вулкан острова Санторини. Фото: de.academic
До Минойского катаклизма земли вокруг Санторини представляли собой большой круглый остров, после — окаймленный скалами полумесяц тверди. Извержение в Эгейском море сопровождалось сильнейшими выбросами лавы, пепельными осадками и землетрясениями. Конус вулкана, не выдержав собственного веса, рухнул в пустой магматический резервуар. Вслед за ним туда хлынули морские воды, образовав гигантскую волну, которая прокатилась по архипелагу Киклады и добралась до северного побережья острова Крит. Ужасающих масштабов цунами стерло с лица Земли поселения на островах Эгейского моря.
Жерло Санторини. Фото из открытых источников
И сегодня остров Санторини, или Тира, заманчивый вариант для туризма и отдыха, находится на пороховой бочке. Последний раз расположенный в центре острова действующий вулкан напоминал о себе в 1950 году. Ученые полагают, что рано или поздно извержение повторится. Его силу предугадать невозможно, как и точное время, когда оно произойдет. Остается надеяться, что современные технологии позволят предупредить катастрофу.
Что ученые говорят о последствиях извержений
Чтобы выяснить, имеют ли сопровождаемые выбросами лавы и пепла сотрясения земли долгосрочные последствия, нужно изучить, как извержения влияют на экологию и климат.
Ученые полагают, что даже кратковременная, по меркам человека, масштабная вулканическая активность может изменить радиационный баланс планеты, являющийся энергетической основой существования и развития экосистемы, циркуляции атмосферы, морских течений и прочих процессов. Выбрасываемые в воздух аэрозоли поглощают часть исходящего от земли тепла и рассеивают значительную часть входящего солнечного излучения. Этот эффект может сохраняться на протяжении от двух до трех лет.
Извержение вулкана Сарычев на Курильских островах. Фото: NASA
Кроме того, выделяемые в результате подземных взрывов серные газы превращаются в сульфатный аэрозоль — мельчайшие капли, на три четверти состоящие из серной кислоты. После извержения эти частицы могут задерживаться в стратосфере на три-четыре года, сообщает сайт NASA. Серная кислота — крайне токсичное вещество. Вдыхание ее паров вызывает у животных и людей воспаления и болезни дыхательных путей, при попадании вещества на кожу остаются химические ожоги.
Пинатубо как лакмусовая бумажка для климата
Одним из крупнейших катаклизмов XX века стало извержение филиппинского вулкана Пинатубо в 1991 году. Изучение его последствий легло в основу научной работы, к которой мы обратимся в этой статье.
Еще за год до катастрофы на острове Лусон произошло мощное землетрясение. Спустя несколько месяцев из недр Пинатубо начала подниматься магма, было зафиксировано множество подземных толчков, а в северной части вулкана прогремели три взрыва. Тревожные настроения усилили гигантские выбросы диоксида серы, что астрофизики Гарвард-Смитсоновского центра в штате Массачусетс (США) считают одним из главных признаков грядущего извержения. Власти Филиппин начали эвакуацию.
Пробуждение Пинатубо в 1991 году. Фото из открытых источников
Сильнейший выброс тефры (собирательный термин, который включает в себя все, что вырывается из кратера в воздух — прим. «Климат России») произошел утром 15 июня, в то время как пепельная колонна достигла невероятной высоты в 35 километров. Активность вулкана совпала по времени с появлением у берегов Лусона тайфуна. Ветер подхватил и разнес золу по окрестностям — смешиваясь с дождем, она оседала на крышах домов и сельскохозяйственных угодьях. Вулкан сотрясал маленький филиппинский остров до сентября. Несмотря на то, что не все население смогло вовремя покинуть свои дома, эвакуация помогла спасти тысячи жизней.
Выброшенный Пинатубо пепел настигает автомобиль. Фото: albertogarciaphotography.com
События в Пинатубо заметно повлияли на климат Земли. В атмосферу попало огромное количество пыли и пепла, а еще около 20 миллионов тонн двуокиси серы, которые за год разлетелись по всей планете. К такому заключению пришли профессоры кафедры энвироники (наука об управлении окружающей средой — прим. «Климат России») Университета Ратджерса в штате Нью-Джерси (США) Георгий Стенчиков и Алан Робок совместно с Хансом Графом и Инго Кирхнером из Института метеорологии имени Макса Планка. Ученые провели серию опытов, моделирующих климатические изменения на основе результатов наблюдения за вулканическими аэрозолями. Команда исследователей разработала модель циркуляции атмосферы с учетом и без учета тефры, выброшенной вулканом Пинатубо.
При сопоставлении результатов на фоне общего снижения температуры тропосферы, то есть нижних слоев атмосферы, ученые отметили потепление воздуха над континентами Северного полушария зимой. Это наблюдение позволило сделать вывод о том, что вулканические аэрозоли приводят в движение механизм климатических изменений.
В то же время величественные исполины играют важную роль в периодическом охлаждении планеты, заключили исследователи. Когда пепел и диоксид серы выбрасываются в воздух, возникает «глобальное затемнение», при котором солнечные лучи отражаются обратно в космос. Из-за этого снижается количество тепла, поглощаемого атмосферой. Открытие данного явления натолкнуло ученых на мысль использовать заслоны из SO2 для регулирования энергетического баланса планеты и борьбы с глобальным потеплением.
Вулкан Пинатубо сегодня. Фото: alexcheban.livejournal.com
Многие люди, отрицающие антропогенный фактор изменения климата, утверждают, что климатические сдвиги происходят вследствие выбросов парниковых газов, происходящих в период активности вулканов. Но если верить науке, объемы подобной эмиссии не сопоставимы с той, за которую отвечает человек. По данным геологической службы США, наземные и подводные вулканы выбрасывают от 0,18 до 0,44 млрд тонн углекислого газа в год. Для сравнения: в 2014 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу поступило порядка 40 млрд тонн CO2.
Безусловно, случаются мощные вулканические извержения, которые способны менять климат Земли, но это происходит крайне редко. Ученые единодушны — гораздо сильнее на процесс глобального потепления влияют антропогенные выбросы парниковых газов.