Vulkanausbrüche können das Erdklima massiv beeinflussen. Vulkanasche und Gase aus dem Ausbruch des Mount Tambora, Indonesien, im Jahr 1815 trugen beispielsweise dazu bei, dass 1816 das „Jahr ohne Sommer“ war, mit Ernteausfällen und Hungersnöten auf der gesamten nördlichen Hemisphäre. 1991 kühlte der Ausbruch des Mount Pinatubo auf den Philippinen das Klima für etwa 3 Jahre ab.
Große Vulkanausbrüche wie Tambora und Pinatubo schicken Asche- und Gaswolken hoch in die Atmosphäre. Sulfataerosole aus diesen Federn streuen das Sonnenlicht und reflektieren einen Teil davon zurück in den Weltraum. Diese Streuung erwärmt die Stratosphäre, kühlt aber die Troposphäre (die unterste Schicht der Erdatmosphäre) und die Erdoberfläche.
“ Was wirklich zählt, ist, ob diese in die Stratosphäre injiziert werden.“
Jetzt hat eine neue Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, herausgefunden, dass der Klimawandel den Kühleffekt großer Eruptionen wie dieser verstärken könnte, die typischerweise einige Male pro Jahrhundert auftreten. Die Studie ergab jedoch auch, dass die Kühleffekte kleinerer, häufigerer Eruptionen dramatisch reduziert werden könnten.
„Entscheidend ist, ob diese in die Stratosphäre injiziert werden — also unter aktuellen Klimabedingungen über 16 Kilometer in den Tropen und in hohen Breiten näher an 10 Kilometer“, erklärte Thomas Aubry, Geophysiker an der Universität Cambridge in Großbritannien und Hauptautor der neuen Studie. „Wenn sie in diesen Höhen injiziert werden, können sie einige Jahre in der Atmosphäre bleiben. Wenn sie in tieferen Lagen injiziert werden, werden sie im Wesentlichen durch Niederschlag in der Troposphäre ausgewaschen. Der klimatische Effekt wird nur wenige Wochen anhalten.“
Die Stärke eines Vulkanausbruchs beeinflusst die Höhe, in der Gase in die Atmosphäre gelangen, wobei stärkere Eruptionen mehr Aerosole in die Stratosphäre injizieren. Der Auftrieb der Gase trägt auch zu der Höhe bei, in der sie sich in der Atmosphäre absetzen. Der Klimawandel könnte diesen Auftrieb beeinflussen: Wenn sich die Atmosphäre erwärmt, wird sie weniger dicht und erhöht die Höhe, in der Aerosole einen neutralen Auftrieb erreichen.
Modellierung des Mount Pinatubo
Aubry und seine Kollegen verwendeten Modelle von Klima- und Vulkanfahnen, um zu simulieren, was mit Aerosolen passiert, die von einem Vulkanausbruch im gegenwärtigen Klima emittiert werden, und wie sich dies bis zum Ende des Jahrhunderts bei anhaltender globaler Erwärmung ändern könnte. In ihren Modellen traten alle Eruptionen am Mount Pinatubo auf.
Sie fanden heraus, dass bei Eruptionen mittlerer Stärke die Höhe, in der sich Sulfat-Aerosole in der Atmosphäre absetzen, in einem wärmeren Klima gleich blieb. Der Kühleffekt solcher Eruptionen wurde jedoch um etwa 75% reduziert. Diese Diskrepanz hat weniger mit vulkanischen Emissionen als vielmehr mit der Atmosphäre zu tun: Die Höhe der Stratosphäre wird voraussichtlich mit dem Klimawandel zunehmen. Aerosole aus gemäßigten Vulkanausbrüchen verbleiben daher eher in der Troposphäre und werden durch Regen entfernt, wodurch ihre Wirksamkeit verringert wird.
Vulkanfahnen werden in der Stratosphäre in einem wärmeren Klima rund 1,5 Kilometer höher steigen.
Für große Eruptionen deuteten Modelle darauf hin, dass Vulkanfahnen in einem wärmeren Klima in der Stratosphäre rund 1,5 Kilometer höher steigen werden. Diese Höhenänderung wird dazu führen, dass sich die Aerosole schneller auf der ganzen Welt ausbreiten. Diese Zunahme der Aerosolausbreitung ist hauptsächlich auf eine vorhergesagte Beschleunigung der Brewer-Dobson-Zirkulation zurückzuführen, die Luft in der Troposphäre nach oben in die Stratosphäre und dann zu den Polen bewegt. Die Veränderung der Brewer-Dobson-Zirkulation ist mit dem Klimawandel verbunden.
Zusätzlich zur Verstärkung des globalen Kühleffekts der Aerosole verringert die Zunahme der Aerosolausbreitung die Geschwindigkeit, mit der die Sulfatpartikel aneinander stoßen und wachsen. Dies erhöht ihren Kühleffekt weiter, indem sie das Sonnenlicht besser reflektieren können.
„Es gibt einen Sweet Spot in Bezug auf die Größe dieser winzigen und glänzenden Partikel, wo sie das Sonnenlicht sehr effizient zurückstreuen“, erklärte Anja Schmidt, Atmosphärenwissenschaftlerin an der Universität Cambridge und Mitautorin der Arbeit. „Es kommt vor, dass in diesem simulierten Szenario der globalen Erwärmung diese Partikel nahe an die Größe heranwachsen, wo sie in Bezug auf die Streuung sehr effizient sind.“
„Wir finden, dass der Strahlungsantrieb (die Menge an Energie, die dem Planetensystem durch das vulkanische Aerosol entzogen wird) im warmen Klima 30% größer wäre als im heutigen Klima“, sagte Aubry. „Dann schlagen wir vor, dass dies die Oberflächenkühlung um 15% verstärken würde.“
Stefan Brönnimann, Klimawissenschaftler an der Universität Bern, der nicht an der neuen Forschung beteiligt war, sagte, die Studie sei interessant, weil „sie uns dazu bringt, die beteiligten Prozesse auf neue Weise zu betrachten.“
Brönnimann stellte jedoch fest, dass die Simulationen ihre Modelle auf Ausbrüche des Mount Pinatubo im Sommer beschränkten. Es wäre interessant zu sehen, ob die Schlussfolgerungen noch für Eruptionen in verschiedenen Breiten und zu verschiedenen Jahreszeiten gelten, sagte er.
Eine sich verändernde Stratosphäre
Es ist schwer zu sagen, ob die verstärkte Abkühlung durch große Vulkanausbrüche oder die Abnahme der Abkühlung durch kleinere Eruptionen einen Nettoeffekt auf das Klima haben wird, sagte Aubry.
Schmidt sagte, dass die derzeitige Zunahme der Häufigkeit und Intensität von Waldbränden auch die klimatischen Auswirkungen von Vulkanausbrüchen verändern könnte, da sie die Zusammensetzung der Stratosphäre beeinflussen. „Es gibt wirklich eine Menge Aerosolverschmutzung in der Stratosphäre, wahrscheinlich in einem Ausmaß, das wir noch nie zuvor gesehen haben.“
-Michael Allen ([email protected] ), Science Writer
Citation:
Allen, M. (2021), Climate change will alter cooling effects of volcanic eruptions, Eos, 102, https://doi.org/10.1029/2021EO163297. Veröffentlicht am 20 September 2021.