Tulivuorenpurkauksen vaikutukset ilmastoon

Tulivuorenpurkausten vaikutusten tieteellinen kuvaaminen

Tulivuorten ilmastoa kylmentävä mekanismi on tämä: tulivuori jonka purkauspilvi nousee stratosfääriin 15–25 km:n korkeuteen, levittää pieniä rikkihappopisaroita jotka pysyvät siellä 1–4 vuotta. Pöly laskeutuu alas jo muutamassa kuukaudessa. Rikkihappopisarat himmentävät aurinkoa lisäämällä ilmakehän optista paksuutta eli tekemällä ylemmän ilmakehän sumumaiseksi. Näin auringon säteilystä pääsee vain pieni prosenttiosuus läpi ja lämpötila maan pinnalla laskee. On kuitenkin muita Maan pinnan lämpötilaa muuttavia tekijöitä, jotka peittävät tulivuorenpurkausten vaikutukset, jotka ovat useimmin 0,1–0,3 °C, alleen.

Tulivuoren vaikutusta ilmastoon voidaan mitata vapautuneen pölyn määrällä DVI (engl. Dust Veil Index). Tuhka putoaa muutamassa kuukaudessa takaisin maan pinnalle. Purkausten kokonaistilavuus voidaan mitata yksiköllä DRE (Dense Rock Equivalent, vastaava määrä tiheää kiveä) /km3. Arvellaan DRE:stä 0,08%:n joutuvan stratosfääriin hienona, alle 2 mikrometrin pölynä auringon valoa himmentämään. Tämä ei nykynäkemyksen mukaan kuvaa tulivuoren vaikutusta ilmastoon hyvin, parempi on käyttää ilmaan vapautunutta rikkidioksidin/rikkihapon määrää miljoonina tonneina (megatonneina Mt). Jos ilmoitetaan tulivuoresta purkautunut ainemäärä kuutiokilometreinä, voi vapautua 5-20 kertaa suurempi määrä rikkidioksidia miljoonina tonneina. Voidaan mitata myös korkealle vuorelle saapuvan Auringon säteilyn määrää. Päivällä saapuu vähintään 0,1 kertainen määrä keskipäivästä, 0,01 ei fotosynteesiä, ja 10^-6 kertainen auringonvalo on täysikuulla.

Voidaan laskea ilmakehän läpinäkyvyyttä kuvaava optinen paksuus τ (tau) joka on vulkaanisille aerosoleille 6,5*10^-3 M_D. Ns. Mitchellin indeksi arvio aerosolien massa ja Saton indeksi optista paksuutta τ aallonpituudelle 0,55 um.

Jokin purkaus saattaa tuottaa suhteessa paljon tai vähän rikkihappoa liittyen laavan tyyppiin. Kaiken lisäksi vaakasuora purkaus ei päästä rikkohappoa stratosfääriin niin paljon. Esimerkiksi Agung purki ulos 0,3–0,6 km³ DRE (tämän verran vulkaanista aihetta tiheäksi kiveksi muutettuna) ja rikkihappoa 10 megatonnia eteläiselle pallonpuoliskolle ja 2 megatonnia pohjoiselle. Krakatau tuotti 10 km³ DRE purkaustuotteita ja noin 50 Mt rikkihappoa H₂SO₄.

Monien tulivuorenpurkausten väitetään alentavan maapallon lämpötilaa 0,3–1,1 °C 1–3 vuoden ajan. Vulkaaniset pölyhiukkaset poistuvat ilmakehässä tahdissa e^-1vuosi eli niiden määrä vähenee kertoimella 2,72 vuodessa. Samaan aikaan tämän vaikutuksen kanssa havaitaan luonollisia ilmakehän vaihteluja kuten ENSO-oskillaatio. Katmain suuri purkaus 1912 ei alentanut maapallon lämpötilaa. Suurten, 10-200 Mt aerosoleja tuottavien purkausten tuottama pisaramäärä on niin suuri, että pisarat törmäilevät helposti toisiinsa, kasvavat suuriksi ja tippuvat nopeasti stratosfääristä alas. Tulivuoresta purkautuvat kaasut vesihöyry (H₂O), hiilidioksidi (CO₂), rikkidioksidi (S O₂), rikkivety (H₂S), vety (H₂), suolahappo (H Cl), vetyfluoridi (HF), häkä (CO), helium (He), typpi (N₂) voivat siis vaikuttaa ilmaston tasapainoon.

Tulivuorenpurkauksen vaikutus lämpötilaan

Tulivuorenpurkaus kasvattaa stratosfäärin lämpötilaa 4-8 asteella ja viilentää lämpötilaa maan pinnalla 0,5 asteella. Tämä on laskettu tietokonemalleilla. Vuosien 1815 Tambora, 1835, 1875, 1883 Krakatau, 1902 , 1947, 1963 (Agung, Bali) purkaukset alensivat maapallon keskilämpötilaa vain noin 0,28 astetta. Suurin vaikutus tuntui vuosi purkauksen jälkeen.

0 -0,2
1 -0,28
2 -0,16
3 -0,1
4 +0,2

Tulivuorenpurkauksia tieteellisesti kuvattuna

Tulivuori Vuosi Aerosoleja stratosfääriin Mt Pohjoisen pallonpuoliskon τ (optinen paksuus) Auringonsäteilyä läpi % Pohjoisen pallonpuoliskon lämpötilan alenema
Saint Helens maalis 1980 0,3 <0,01 ? <0,1
Agung maalis-touko 1963 10 <0,05 et pallonpuoliskolla τD=0,2 ehkä 0,1 ? 0,3
Pinatubo 1993 0,15 ? 0,5?
El Chichón maalis-huhti 1982 20 0,15 (0,09?) ? <0,4 0,5?
Krakatau elokuu 1883 50 0,55 ? 0,3
Tambora huhtikuu 1815 200 1,3 75% 0,5
Rabaul? maalis 536 300 2,5 55% suuri? >> 3
Toba 75000 eaa. 1000? 10? 6-33 12% (0,12)-3*1e-5 suuri?
Laki kesä 1783-helmi 1784 0 paikall. korkea ? 1,0?
Roza 14 milj v sitten 6000 80? 40 1^-5 suuri?

Esimerkiksi Fuegon purkaus 1974 pystyi juuri ja juuri sinkoamaan ainetta stratosfääriin ja kasvatti ilmakehän optista paksuutta arvoon 0,04, mutta Tambora on lähihistorian eniten ainetta stratosfääriin singonnut purkaus. Merkittävä, yli 1 megatonnin aerosoleja stratosfääriin singonnut purkaus häiritsee Maan ilmastoa. Purkaukset näkyvät ilmakehän optisen paksuuden (läpinäkymättömyyden) muutoksina ja Grönlannin jään happopitoisuuden muutoksina. Fernandina 1968 kasvatti optista paksuutta 0,06. Mutta aivan havaintotarkkuuden rajalla havaittiin 0,01 muutos ilmakehän optisessa paksuudessa 1979, jolloin Soufriere purkautui. 1963–1964 havaittu määrä viittaa jopa 20 Mt happomäärään stratosfäärissä, mutta Agungin purkaus tuotti vain 1/5 tästä. tämä viittaa osan haposta kulkeutuneen Islannin tulivuorista Surtseyn purkauksesta. Agungin ja el chichonin purkauksen jälkeen havittiin suurin optinen paksuus 9 kk purkauksen jälkeen.

Tulivuorten ilmastovaikutuksia

Rikkidioksidi vaikuttaa ilmastoon enemmän kuin tuhka. Tämä johtuu siitä, että rikkidioksidista syntyy pieniä leijuvia rikkihappopisaroita, jotka heijastavat auringon säteily. Saint Helens sinkosi enemmän tuhkaa stratosfääri kuin El Chichon, joka sinkosti 40 kertaa enemmän rikkidioksidia ja vaikutti maan lämpötilaan 5 kertaa enemmän (0,5 °C). Laki-tulivuoren purkaus alensi lämpötilaa Pohjois-Amerikan itäpuolella yhtenä talvena 4,8 °C 225 vuoden keskiarvon alle ja koko maailmassa 1 °C. Lakin purkaus oli huomattava rikkihapon tuottaja, se tuotti rikkihappoa H₂SO₄ kaikkiaan 90,3 megatonnia. Tambora tuotti rikkihappoa 52,4 megatonnia ja Krakatau 2,94 megatonnia, El Chichon vain 0,07 megatonnia. Ilmastovaikutus ei kestä pitkään. Saint Helensin ja Alaidin tyyppisissä pikkupurkauksissa hiukkaset laskeutuvat 5-8 kuukaudessa, ja El Chichon tyyppisessä suurpurkauksestakin tulevat hiukkaset 12 kuukaudessa.

Tulivuori Missä Milloin Voima VEI Voima mt Purkautunutta
ainetta km3 DVI (pölymäärä) H₂SO₄ Mt
rikkihappoa
miljoonaa tonnia Lämpötilan
lasku Auringon
säteilyn
lasku Rikkidioksidimäärä
miljoonaa tonnia

Tambora Indonesia? 1815 7 vei m 100-150 dvi 700 52,4 3°C
Coseguina Nicaraqua 1835 5 vei m dvi 500 s ? C
Krakatau Indonesia 1883 6 vei m 75 dvi 400 2,94 0,3 °C
Santa Maria Guatamala 1902 6 vei m 200 0,18 0,4 °C
Katmai Alaska 1912 6 vei m 100 7,94 0,2 °C (0?)
Agung Indonesia 1963 4 vei m 200 2,84 0,3 °C (0,5?) 94->90,5
El Chichón Mexico 1982 4 vei m d 0,07 0,5 °C 94 -->77% 10 (7-20)
Pinatubo Filippiinit 1991 m 6km³ d s 15-30
Fuego Guatemala 1976? m d 94-->93?%
St. Helens Yhdysvallat 1982 5 vei m 1,2-2,7 d 0,0035 0,1 °C 1
Alaid 1,1?
Laki Islanti 1783 4 vei m 400 90,7 1 °C?

Tulivuorenpurkausten aiheuttamia silminnähtäviä ilmiöitä

Aurinko himmenee (paistaa kuin ruskean lasin läpi)
Taivaan tähtitieteelliset kohteet himmenevät ja hämärtyvät huomattavasti
Sininen tai vihreä väri auringon ja kuun ympärille
Suuremmat kirkkaat Auringon nousut ja laskut
Piispan kehä (engl. Bishop's Ring, halo auringon ympärillä, joka on monimutkaisempi kuin tavalliset ja jossa värit väärin päin)
Epätavallisen pimeät Kuun pimennykset

Laakiobasalttipurkaukset

Suuria laakiobasalttipurkauksia tapahtuu noin 30 miljoonan vuoden jaksoissa. Yksittäiset laakiobasalttipurkaukset tuottivat kymmeniä tai satoja kuutiokilometrejä laavaa yksittäisissä purkauksissa päivien-viikkojen aikana ja jopa miljoona kuutiokilometriä basalttilaavaa muutaman miljoonan vuoden ajan. Basalttilaava sisältää rikkipitoista ainesta 10 kertaa enemmän kuin tavallisempi silikaattilaava. Aikaisemmin uskottiin, etteivät laakiobasalttipurkaukset kuljeta rikkipitoista kasua stratosfääriin, mutta nyttemmin uskotaan purkausten yllä olevan kuuman ilman nousevan stratosfääriin asti. Tämä merkitsisi sitä, että laakiobasalttipurkaus voi nostaa auringonvaloa himmentäviä rikkipisaroita ylempään ilmakehään. Rozan purkauksessa 14 miljoonaa vuotta sitten purkautui ehkä 700 km³ seitsemässä päivässä purkaustaajuudella 10000–100000 m³/s 1-10 km:n pituisesta halkeamasta 1 km korkeisiin purkaustuliin. Laki jonka ala oli 12 km², vapautti 30 Mt rikkiä, mutta Roza saman kaavan mukaan 2000 Mt rikkiä, mikä tuotti 6000 Mt rikkihappopisaroita. Tällöin optinen tiheys aleni 40:ään ja auringonvalosta pääsi 1/1000 maan pinnalle.

Merkittäviä ilmastoon vaikuttaneita tulivuorenpurkauksia

17 suurta purkausta näkyy puiden vuosirenkaissa viilenemisenä 2035 eaa.–1884. Muita suuria vulkaanisia tapahtumia on sattunut 934 ja 1258. Myös Etnan räjähdyspurkauksilla noin 44–42 eaa. on ollut luultavasti vaikutusta maapallon ilmastoon. Grönlannin jäässä näkyy noin 50 eaa 3 vuoden ajalla rikkihappopiikki. Saint Helens purkautui noin 1500 ja 2035 eaa. Thera purkautui radiohiiliajoituksen mukaan joskus 1688 eaa.+-50 v tai vuosirenkaiden mukaan 1626 eaa.

Tonkoko 1680, Serua ja Hekla 1693, Fuji 1707 Japanissa, Hekla 1766 Islannissa, Tambora Sumbawalla 1815, Cosima 1835 Nicaraguassa, Krakatau Sundasalmessa 1883, Santa Maria Guatemalassa 1902, Agung Balilla 1965, El Chichon 1982 ja Pinatubo 1991. 1900-luvun alkupuoliskolla on pitkä tauko suurissa tulivuorenpurkauksissa.

Toban purkaus

Toban purkaus noin 750 000 vuotta sitten räjäytti ilmaan 2000 km³ tiheää kiveä vastaavan määrän vulkaanista ainetta eli 2000 DRE. Hienoa pölyä joutui stratosfääriin ehkä 2000 Mt (pölyä kaikkiaan 20000 Mt) ja rikkohappoaerosolia 1000–5000 Mt. Ilmakehän optinen paksuus oli 6–33 ja paikallisesti suurempikin, jos pilvi levisi epätasaisesti. Tambora 1815 tuotti optisen syvyyden 1 ja vuoden 536 purkaus syvyyden 2.

Suuri purkaus 536

Arvellaan tapahtuneen jättimäisen tulivuorenpurkauksen vuosina 535–536. Kyseessä on ehkä Rabaulin purkaus joka on ajoitettu 540+-90. Tältä ajalta on löydetty todisteita ilmaston kylmenemisestä ja nälänhädästä muun muassa Roomasta ja Kiinasta. Oli niin kylmää, että lunta satoi kesällä. Tumma pilvi peitti auringon sallien vain muutaman tunnin valoa päivässä. Tulvia esiintyi tavallisesti kuivilla alueilla. Kiinassa oli kylmää ja nälkää 536-538. Mesopotamiassa oli aurinko himmeä 536-537 18 kuukautta ja Italiassa 12–15 kuukautta. Tämä viittaa pilven erilaiseen paksuuteen eri leveysasteilla. Auringon säteily pieneni 10%:iin kun ilmakehän optinen paksuus kasvoi 2,5:een. Tällöin kevät menetti lauhuutensa ja kesä kuumuutensa Italiassa. Auringon ympärille ilmastui sininen harso.

Vuosirenkaissa näkyy muutos 536 ja 542 ja Grönlannin jäässä happopitoisuuden nousu 540+-10 tai 516+-4. Viileää kautta kesti puiden vuosirenkaiden mukaan 15 vuotta. Kaikki eivät tulivuorenpurkausajatusta kannata, ilmakehään on saattanut singota ainetta meteoriitti. Sitä paitsi Grönlannin jäänäytteissä ei näy merkkejä suuresta vulkaanisesta aktiivisuudesta tältä ajalta.

Suuri purkaus 1258

Noin vuonna 1258 purkautui 20–30 km:n läpimittaisesta kalderasta 5 × 10¹⁴-2 × 10¹⁵ kg eli 200-800 km³ tiheää laavaa (DRE) vastaava määrä tulivuoren purkaustuotteita. Paleoklimetologien luomissa ilmastökäyrissä näkyy kylmenemistä 1257–1259.

Lakin purkaus

Lakagigar (Laki) on historiallisen ajan suurin laakiopurkaus. Se purkautui Islannissa 1783 ja loi hyvin kylmää talveksi 1783–1784.

Kesätön vuosi 1816

Tamboran purkaus 5–15. huhtikuuta 1815 heitti ilmaan 1,5 miljoonaa metristä tonnia pölyä. Ilmastonmuutos oli suurin Amerikan koillisrannikolla ja Pohjois-Euroopassa. Yhdysvalloissa lämpötila saattoi tuntien sisään pudota heinäkuussa ja elokuussa jopa 35 °C. Heinäkuussa jonka keskilämpötila on tyypillisesti 20-25 °C ja harvoin alle +5 °C tuli kaksi suurta lumimyrskyä. Joet jäätyivät jopa Pennsylvaniassa asti.