(W dużym zakresie adaptacja artykułów Aleksandra Kardaś i Marcin Popkiewicz)
——
Wulkany. To fascynujący temat, ale jednak mało uwzględniany w klimatologii. A odpowiadają one za jedyne naturalne obecnie ujemne wymuszenie radiacyjne. Jeśli chodzi o badania emisji dwutlenku węgla z wulkanów, bada się nie tylko ich erupcje, ale i podziemną magmę. Gdyż na te dwa sposoby wydobywa się ten gaz do atmosfery. I w tym drugim przypadku jest on uwalniany przez otwory wentylacyjne, porowate skały i gleby oraz wodę pochodzącą z jezior wulkanicznych i gorących źródeł.
Fot.1. Znaczna część dwutlenku węgla uwalnianego przez wulkany jest emitowana przez odgazowanie podziemnej magmy, gdy wulkan nie wybucha. Na tym zdjęciu gazy wulkaniczne i para wydobywają się z góry Merapi w Indonezji w dniu 20 maja 2012 r. Licencja Creative Commons autorstwa Jimmy McIntyre.
——-
Wyniki prac emisji wulkanicznych dwutlenku węgla
We wcześniejszych badaniach z lat 70 XX wieku, takich jak bezpośrednie próbkowanie i satelitarna teledetekcja, nie wzięto szczegółowo pod uwagę tego drugiego sposobu, dlatego też ogólne emisje wulkaniczne w skali globu były zaniżone i wynosiły one w przedziale 0,3 ± 0,15 GtC (gigaton węgla) w ciągu roku. A więc, były 90 razy mniejsze niż emisje pochodzące z działalności człowieka. Tak wynika min. z jednej z prac opublikowanych w recenzowanym artykule z 2011 r. przez naukowca z USA Geologic Survey, Terry’ego Gerlacha.
Ale przy badaniach emisji wulkanicznych trzeba brać pod uwagę nie tylko źródła wybuchające, ale i nie wybuchające. Takie dowody są przedstawione w pracy z 2013 r.przez grupę naukowców takich jak: Michael Burton, Georgina Sawyer i Domenico Granieri, którzy położyli duży nacisk na podanie szacunkowe emisji CO2 również z magmy podpowierzchniowej, co we wcześniejszych pracach zostało ominięte. Globalne szacunki emisji, zarówno ze wspomnianej magmy, jak z wcześniej badanych erupcji wulkanicznych wynosiły według tych badań wyniosły ok. 0,6 Gt CO2. A więc, były 60 razy mniejsze niż z działalności człowieka.
——-
Fot.2. Pobieranie próbek gazu wulkanicznego, wulkan Mageik na Alasce. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości Volcano Hazards Team/USGS.
——–
Metody badawcze
A jak się wykrywa i mierzy zawartość dwutlenku węgla wydzielanego za pomocą erupcji i z podziemnej magmy? Wewnątrz wulkanów i na zewnątrz ich jest znacznie większa zawartość dwutlenku siarki (SO2) niż dwutlenku węgla. Ale, zarówno wulkanolodzy, jak i klimatolodzy stosują metodę pomiaru stosunku zawartości tego pierwszego gazu do drugiego. I oczywiście tego pierwszego jest znacznie więcej niż drugiego. A samy pomiary wykonuje się analizy widmowej ultrafioletu za pomocą kamer w zakresie 290-310 nm.
Wadą tych badań jest słabsza wykonalność pomiarów w nocy i gdy pada deszcz oraz jest zachmurzone niebo. Dlatego też uzupełnia się je wówczas badaniami koncentracji SO2 w zakresach innych długości fal, zwłaszcza w strukturze widmowej podczerwieni (Tom Perring, 2014).
Fot.3. Pomiary z użyciem kamery UV na stoku wulkanu Stromboli, 2013. Zdjęcie: Tom Pering, Volcano Blog.
——–
Następnie za pomocą elektrochemicznych czujników dokonuje się próbkowania zawartości gazów wulkanicznych. Aleksandra Kardaś z portalu Nauka o klimacie pisze w jednym z artykułów swoich:
“Współczesne instrumenty są w stanie mierzyć zmiany koncentracji CO2 z sekundy na sekundę, a związków siarki – z rozdzielczością kilkunastu, kilkudziesięciu sekund.”
Pobrane próbki przesyłało się wcześniej do laboratoriów i czekało się długie tygodnie na wyniki badań. Dlatego też, wykonuje się obecnie je za pomocą specjalnych urządzeń zasysających powietrze, które dokonują pomiarów gazów, pyłów i popiołów wulkanicznych od razu na miejscu. I albo ich wyniki zapisywane są we wbudowanej pamięci tychże urządzeń albo przesyłane są drogą radiową do baz serwerów danych (Shinohara 2005) (Ajuppa i in., 2006).
Wulkany również bada się dokonując pomiarów lotniczych, satelitarnych, jeśli chodzi o wulkany lądowe na styku płyt tektonicznych oraz pomiarów oceanicznych, jeśli chodzi o wulkany podmorskie na grzbietach śródoceanicznych.
Omawiając metody badawcze z samolotów, są podobne jak naziemne pod względem zastosowania tych samych urządzeń zasysających powietrze, tyle, że z powietrza na wysokości tuż nad badanym wulkanem. Aby badania były w miarę poprawne, dokonuje się co najmniej kilka przelotów przez smugę dymiącego wulkanu w celu uzyskania szeregu przekrojów badanego obszaru pod względem zawartości gazów wulkanicznych.
Fot.4. Wysunięty przez burtę samolotu peryskop urządzenia do pomiarów zawartości SO2 w powietrzu z wykorzystaniem promieniowania ultrafioletowego (COSPEC), obok peryskopu widoczny jest także wlot powietrza do instrumentu wykonującego na bieżąco analizę chemiczną powietrzna. Zdjęcie u góry.
Fot.5. Przyrząd (tu konkretnie analizator CO2, LI-COR), widoczny jest na zdjęciu u dołu. Zdjęcia zamieszczamy dzięki uprzejmości Volcano Hazards Team/USGS.
——-
Natomiast jak chcemy zbadać transfer radiacyjny, a ściślej zmierzyć promieniowanie w zakresie fal w podczerwieni, to przeloty samolotem są wykonywane poniżej smugi i pod różnymi kątami. Dzięki temu można przeskanować badany przez nas obszar rejonu wulkanicznego.
Satelity z kolei mierzą nie tylko zawartość gazów cieplarnianych i promieniowania w strefie wulkanów, ale i też aerozol atmosferyczny unoszący się nad badanym dymiącym wulkanem. Wśród jego wyziewów są wychwytywane przez lidary satelitarne nie tylko cząsteczki dwutlenku siarki, ale i również pyły i popioły, czyli cząstki stałe stanowiące konglomerat unoszących się aerozoli atmosferycznych.
Do satelitów wykonujących pomiary aerozoli należy amerykański CALIPSO oraz geostacjonarny europejski Meteosat Second Generation. Satelity te mierzą koncentrację dwutlenku siarki nie tyle w czystej atmosferze, co w wyziewach wulkanicznych, gdzie tego gazu jest znacznie więcej. I pewne wyniki badań wskazały, że cząsteczki SO2 absorbują nie tylko fale krótkie w zakresie ultrafioletu, ale i również fale długie w zakresie podczerwieni (Theys i in., 2013). W rejonach wulkanicznych NASA prowadzi cały czas monitoring zawartości SO2 w kolumnie powietrza atmosferycznego, co też można prześledzić w internecie.
Fot.6. Z lewej strony: satelita OCO-2 (ilustracja zamieszczona dzięki uprzejmości NASA). Fot.7. Z prawej: satelita GOSAT (ilustracja zamieszczona dzięki uprzejmości JAXA).
——–
Do satelitów specjalnych wykonujących pomiary dwutlenku węgla w atmosferze Ziemi, należą dwa: amerykański OCO-2 orbitujący od bieguna północnego do bieguna południowego na wysokości 710 km nad powierzchnią Ziemi oraz japoński GOSAT krążący na wysokości 675 km, które dokonują rejestru długości fal podczerwonych mieszczących się w pasmach ich absorpcji przez badany dwutlenek węgla. Zależność jest taka, że im więcej jest CO2 wysoko w atmosferze, tym jest silniejsza jego absorpcja i mniej promieniowania dociera do satelity.
GOSAT za pomocą 4-sekundowego systemu celowania wychwytuje emisje dwutlenku węgla z punktowego źródła zanieczyszczeń. Również z badanego wulkanu. Natomiast OCO-2 pobierając 24 próbki na sekundę bada większy obszar, ale z mniejszą dokładnością i nie zawsze przelatuje nad badanym wulkanem by zmierzyć koncentrację dwutlenku węgla nad nim. Mimo wszystko oba satelity są bardzo ważne w pomiarach koncentracji CO2 z wyziewów wulkanicznych.
Aby jednak badania były bardziej kompleksowe, jeśli chcemy wziąć pod uwagę globalne szacunki koncentracji dwutlenku węgla, zarówno wulkanów lądowych, jak i podmorskich, to musimy też wziąć pod uwagę badania podwodne. Należy też o tym pamiętać, że powierzchnia oceanów na Ziemi to 71 %, a powierzchnia lądów tylko 29 %.
——-
Fot.8. Pobieranie próbek gazu wydobywającego się z komina aktywnego wulkanu NW Rota-1 w rejonie Grzbietu Mariańskiego w marcu 2010. Zdjęcie wykonane przez zdalnie sterowanego, podwodnego robota badawczego Jason-2 zamieszczamy dzięki uprzejmości Jamesa F. Holdena, UMass Amherst oraz NOAA/PMEL Vents Program.
——-
Pomiary koncentracji wulkanicznych z podmorskich wulkanów wykonują roboty podwodne, Jason i Jason-2, Jason-3, z Woods Hole Oceanographic Institution, wyposażone w specjalne urządzenia do pobierania próbek gazów i wody, których zawartość potem analizuje się w laboratoriach, podobnie jak próbki z naziemnych źródeł wulkanicznych. Prowadzi się obserwacje, zarówno podmorskich erupcji wulkanicznych, jak i emisji z kominów geotermalnych w obszarze grzbietów śródoceanicznych.
A jak się wykrywa i mierzy zawartość dwutlenku węgla? Podobne są zasady jak przy badaniach naziemnych wulkanów. Ale jest pewna różnica. Pod morską wodą bada się stosunek CO2 do izotopów helu-3 (3He). Tutaj jest na odwrót niż w atmosferze nad lądowym wulkanem. Jednak gdy zaobserwuje się rzadkie izotopy wspomnianego helu, to znaczy, że mamy do czynienia z emisjami wulkanicznymi dwutlenku węgla. Podobnie bada się skład chemiczny płaszcza Ziemi i skał bazaltowych na dnach oceanów (Bernard Marty, Igor Tolstikhin, 1998).
Rys.1. Po lewej: anomalie średniej globalnej temperatury obliczone za pomocą modeli CESM (Community Earth System Model Large Ensemble) podczas trzech erupcji wulkanicznych: Mt. Agung w 1963 roku, El Chichón w 1982 roku oraz Mt. Pinatubo w 1991 roku. Odchylenia od średniej względem 5-letniego okresu bazowego poprzedzającego erupcję. Czarna linia pokazują średnią dla wszystkich przypadków, czerwona dla stanu El Niño (widać jego kompensujący ochłodzenie wulkaniczne wpływ) a niebieska dla stanu La Niña (widać wzmocnienie ochłodzenia). Cieniowanie pokazuje 95% zakres niepewności. Po prawej: scenariusze zmian średniej globalnej temperatury po wybuchu podobnym do Mt. Agung, który nastąpiłby w 2017 roku, stworzone poprzez dodanie anomalii temperatury z lewego panelu do wiązki symulacji temperatury modeli CESM. Temperatura na podstawie serii pomiarowej BEST. Zaadaptowane Flavio Lehner , John Fasullo, 2017
——–
Wulkany a wymuszenie radiacyjne
W stabilnym klimacie jaki mamy teraz wulkany są pod wpływem ujemnego, a nie dodatniego wymuszenia radiacyjnego. I to jedynego jaki istnieje dziś w systemie klimatycznym Ziemi. Zawsze gdy dają o sobie znać bardzo duże erupcje wulkaniczne to klimat potrafi ochłodzić się nawet o 5 lat.
Gdy mamy erupcje wulkaniczne typu Mt Agung w 1963 roku, El Chicon w 1982 roku czy też Mt Pinatubo w 1991 roku, to mamy w tym czasie oscylację oceaniczną ENSO (południowo-pacyficzna oscylacja) neutralną, to Ziemia mniej więcej ochładza się po tak dużej erupcji o 0,2 stopnie Celsjusza na okres 1-5 lat od czasu powstania jej. Jednak gdy wystąpi bardzo silna La Nina (faza ujemna ENSO), jak w latach 1999-2001 i 2011, to temperatura na Ziemi potrafi spaść nawet o 0,3 stopnie Celsjusza. Ale gdy mamy do czynienia z bardzo silnym El Nino (dodatnią fazą ENSO), jak w 1998 roku i w latach 2015-16, to temperatura na globie ziemskim ochłodzi się tylko o około 1 stopnia Celsjusza. Oczywiście działa też inny szereg dodatnich i ujemnych sprzężeń zwrotnych, jak np. zwiększone topnienie lodu morskiego czy zwiększenie pokrywy chłodzących chmur niskich.
—-
Rys.2. Symulowana skumulowana zmiana poziomu morza od roku 1955, związana ze zmianami energii termicznej oceanów (bez uwzględniania wody spływającej z lodowców i lądolodów oraz innych czynników) w scenariuszach z historycznymi wybuchami wulkanów (linia niebieska) oraz bez nich (linia zielona). Po wybuchach wulkanów powierzchnia Ziemi się ochładza, temperatura oceanów spada, prowadząc do spadku poziomu morza. Zielona linia pokazuje, jak wyglądałyby zmiany poziomu morza gdyby nie wybuchy wulkanów – widoczny byłby jego coraz szybszy wzrost. Niebieska linia od początku pomiarów satelitarnych jest prawie prosta – dokładnie tak, jak to obserwujemy, mylnie sugerując, że tempo wzrostu poziomu morza nie rośnie. Jednak w przyszłości względny wpływ wybuchów wulkanów (do kilku milimetrów) będzie coraz bardziej pomijalny, a wzrost poziomu morza będzie przebiegał coraz szybciej, mniej więcej zgodnie z szarą linią przerywaną. Źródło John Fasullo i in., 2016.
——-
Potężne erupcje wulkaniczne wywierają również jeszcze jeden efekt ciekawy w systemie klimatycznym Ziemi. Otóż, gdy się ochładza klimat, to oddziałuje to jednocześnie na spadek poziomu morza, co w 1991 roku gdy eksplodował Mt Pinatubo, jeszcze przed pomiarami satelitarnymi zmierzyły wodowskazy na wszystkich oceanach i morzach świata. Jednak po kilkunastu miesiącach od bardzo dużej erupcji tego wulkanu, satelita TOPEX/Poseidon zmierzył, najpierw szybki przyrost poziomu morza, gdy zaczął wypadać ze stratosfery aerozol wymywany przez deszcze lub grawitacyjnie, a potem gdy się ustabilizował poziom morza jak przed erupcją, i tak z roku na rok satelita ten mierzył coraz wyższy poziom morza.
Od 1998 roku ruszyła nowa misja satelitarna z satelitami: amerykańskim GRACE-FO i niemieckim GFZ. Obecnie od początku pomiarów satelitarnych, poziom morza wynosi 95±4 mm. Możliwe, że też przyspieszył gdyż w ciągu 3 nie całych dekad ostatnich nie było jeszcze bardzo znaczących erupcji wulkanicznych.
—–