1.6. Влияние извержения вулканов на климат

По всему миру карту усеивают вулканы всех форм и размеров. Вдоль суши вокруг Тихого океана расположены хорошо известные вулканы Тихоокеанского огненного кольца. От Алеутских островов до гор Анд в Чили эти вулканы сформировали свою местную и региональную среду обитания.

По сути, вулканы представляют собой геологические объекты, которые выделяют магматический материал из-под поверхности Земли на поверхность, рис. 1.9. Магмы являются отправной точкой для создания вулкана. Образование магмы осуществляется несколькими способами:

1) субдукция океанической коры,

2) создание горячей точки из мантийного плюма,

3) расхождение океанических или континентальных плит.

В горячих точках океанической коры развиваются различные магматические системы, основанные на скоростях движения плит. Гавайи и архипелаг Мадейра (у западного побережья Африки) являются примерами вулканических комплексов.



Рис.1.9. Извержение вулкана

В то время как большинство вулканов выбрасывают некоторую смесь одних и тех же нескольких газов, выбросы каждого вулкана содержат разное соотношение этих газов. Водяной пар является преобладающей молекулой газа, образующейся, за ним следуют диоксид углерода (CO2) и диоксид серы (SO2). Выброс серы из вулканов оказывает огромное воздействие на окружающую среду, и это важно учитывать при изучении крупномасштабных последствий вулканизма. Вулканы являются основным источником серы (в форме SO2), которая попадает в стратосферу, где затем вступает в реакцию с радикалами OH с образованием серной кислоты (H2SO4). Молекулы серной кислоты конденсируются на существующих аэрозолях и могут стать достаточно большими, чтобы образовать ядра для дождевых капель и выпадать в осадок в виде кислотных дождей. Дождь, содержащий повышенные концентрации SO2, убивает растительность, что затем снижает способность биомассы района поглощать CO2 из воздуха. Это также создает неблагоприятную среду в ручьях, озерах и грунтовых водах. Повышенная концентрация серы в атмосфере может привести к разрушению озонового слоя и к ее потеплению.

Вулканы с кислым составом расплава производят чрезвычайно взрывоопасные извержения, которые могут выбрасывать огромное количество пыли и аэрозолей высоко в атмосферу. Эти выбросы твердых частиц являются мощными факторами, влияющими на климат, и могут спровоцировать самые разнообразные реакции, включая потепление, похолодание и подкисление дождевой воды. Реакция климата зависит от высоты пылевого облака, а также от размера и состава пыли. Некоторые вулканические силикаты очень быстро охлаждались, создавая стекловидную текстуру; их темный цвет и отражающая природа поглощают часть излучения и отражают остальное. Такой вулканический материал, впрыскиваемый в стратосферу, блокирует солнечное излучение, нагревая этот слой атмосферы и охлаждая область под ним. Характер ветра может распространять пыль по обширным географическим регионам; например, извержение вулкана Тамбора в Индонезии в 1815 году произвело так много пыли, что похолодание на 1 градус по Цельсию было отмечено даже в Новой Англии и продолжалось в течение нескольких месяцев. Европейцы и американцы назвали его эффект “годом без лета”.

Вулканические выбросы содержат следовые количества тяжелых металлов, которые могут влиять на гидросферу, когда они попадают в нижние слои атмосферы. Когда большие количества этих выбросов собираются на небольшой площади, последствия загрязнения становятся первостепенными.

Краткосрочное (от месяцев до лет) воздействие вулканизма на атмосферу, климат и окружающую среду в значительной степени зависит от местоположения, времени, потока, величины и высоты выбросов сернистых газов. Эпизодические взрывные извержения представляют собой основное возмущение стратосферного аэрозоля. В тропосфере картина менее ясна, но значительная часть глобального тропосферного сульфатного бремени может быть вулканогенной. Сульфатный аэрозоль влияет на радиационный баланс Земли, рассеивая и поглощая коротковолновое и длинноволновое излучение, а также действуя как ядра конденсации облаков. Когда облака, содержащие вулканическую серу в газовой и аэрозольной фазах, попадают в пограничный слой и на поверхность Земли, это может привести к серьезным последствиям для окружающей среды и здоровья. Примерами воздействия на окружающую среду и здоровье являются потери сельского хозяйства из-за кислотных дождей и затенения частицами, ущерб экосистемам и загрязнение гидросферы.

Интенсивность извержения вулкана определяется высотой и эффектом выброшенного материала. Хотя крупные извержения происходят реже, чем мелкие, более крупные извержения все же выбрасывают в атмосферу больше твердых частиц. Такое поведение выбрасываемого материала в течение всего года оказывает незначительное воздействие на атмосферу по сравнению с более крупными извержениями. Со временем изменения в составе извержений меньшего масштаба приводят к изменениям атмосферных циклов и глобального климата. Крупномасштабные извержения немедленно вызывают изменения в атмосфере, что, в свою очередь, приводит к климатическим изменениям в непосредственной близости. Чем больше вулканическое извержение, тем выше высота, достигнутая выброшенными силикатными материалами. Более крупные извержения в среднем выделяют не так много, как более мелкие извержения. Это связано с периодом возврата извержений и количеством выброшенного материала за одно извержение. Высота выброса серы в атмосферу представляет собой еще один важный фактор, определяющий воздействие на климат. Более интенсивные извержения с большей вероятностью поднимают реактивные сернистые газы в стратосферу, где они могут генерировать климатически эффективный аэрозоль.

Местоположение вулкана сильно влияет на географическое распределение атмосферного нагрева и развитие планетарных волн, которые влияют на циркуляцию воздуха (особенно в северном полушарии). Другим важным фактором является то, что высота тропопаузы меняется в зависимости от широты – в тропиках она составляет около 16-17 км над уровнем моря, но опускается до 10-11 км в высоких широтах. Однако есть два фактора, которые ограничивают этот эффект. Во-первых, извержение в высоких широтах будет иметь более ограниченный эффект, чем в низких широтах, потому что дальше от тропиков меньше солнечной энергии для перехвата. Во-вторых, атмосферная циркуляция работает таким образом, чтобы ограничить последствия извержений в высоких широтах. Тропическое извержение, которое выбрасывает аэрозоль в стратосферу, приводит к локальному нагреву. Напротив, вулканический аэрозоль, выбрасываемый в стратосферу из высокоширотных вулканов, будет иметь тенденцию оказывать противоположное влияние на температурный градиент, приводя к застою меридионального воздушного потока.

Вулканы не только влияют на климат, на них влияет климат. Во времена оледенения вулканические процессы замедляются. Росту ледников способствует слабая летняя жара и усиление зимних холодов, а когда ледники становятся больше, они становятся тяжелее. Этот избыточный вес вызывает обратный эффект на способность магматической камеры образовывать вулкан. Термодинамически магма будет легче растворять газы, когда давление на магму больше, чем давление пара растворенных компонентов. Накопление ледников обычно происходит на больших высотах. Накопление льда может привести к разрушению магматической камеры и кристаллизации под землей. Причина разрушения магматической камеры возникает, когда давление льда, давящего на Землю, больше, чем давление, оказываемое на магматическую камеру в результате тепловой конвекции в мантии. Данные керна льда из ледников дают представление о прошлом климате. Изотопы кислорода и запись ионов кальция являются важными показателями климатической изменчивости, в то время как пики содержания сульфат-ионов (SO4) и электропроводности льда указывают на выпадение вулканического аэрозоля. Как видно из ледяных кернов, извержения вулканов в тропиках и южном полушарии не зафиксированы в ледяных щитах Гренландии. Осадки от тропических извержений можно наблюдать на обоих полюсах, хотя это занимает почти два года и состоит только из сернистых осадков. Одним из поразительных открытий ледяного керна является свидетельство многочисленных крупных извержений, которые иначе не были обнаружены в записях тефры. Одно из предостережений к этому подходу заключается в том, что она не является безотказной. Чем больше глубина, с которой извлекается керн, тем больше вероятность того, что он подвергся деформации, преобладающие ветры и химический состав атмосферы играют большую роль в перемещении вулканических летучих веществ от их источника к их конечным местоположениям на поверхности или в атмосфере.

Во время мелового периода (мелово́й пери́од начался145,0 млн лет назад, закончился 66,0 млн лет назад). Земля испытала необычную тенденцию к потеплению. Одно из объяснений этого потепления объясняются тектоническими и магматическими силами. Одна из теорий – магматический суперплюм, вызывающий высокий уровень CO2 в атмосфере. Уровень углекислого газа в меловом периоде мог быть в 3,7-14,7 раза выше, чем в настоящее время, вызывая в среднем 2,8-7,7 градуса Цельсия. Тектонически, движения плит и падение уровня моря могут вызвать дополнительные 4,8 градуса Цельсия во всем мире. Совместное воздействие магматических и тектонических процессов могло привести к тому, что температура Земли мелового периода могла быть на 7,6-12,5 градуса Цельсия выше, чем сегодня.

Вулканы представляют мощные образы и силы в ландшафте Земли. Образование вулкана зависит от его местоположения и магматического происхождения. Магмы будут оставаться расплавленными до тех пор, пока давление и температура не позволят кристаллизоваться и выделять газы. Во время выделения газов магматический очаг поднимется и встретится с поверхностью Земли, вызывая извержение вулкана. В зависимости от состава расплавленного материала, этот вулкан может содержать различные газы. Большинство газов, выбрасываемых при извержении вулканов, являются парниковыми газами и вызывают изменения атмосферы. Эти атмосферные изменения затем заставляют климат, как региональный, так и локальный, достигать нового равновесия с новой атмосферой. Эти изменения могут проявляться в виде похолодания, потепления, увеличения количества осадков и многих других.

Недавние статьи предполагают, что рост вулканизма в значительной степени ответственен за тенденцию к похолоданию. Хотя Год без лета в 1816 году пришелся на период минимума Далтона, основной причиной низких температур в том году стало взрывное извержение вулкана Тамбора в Индонезии годом ранее, которое стало одним из двух крупнейших извержений за последние 2000 лет. Следует также учитывать, что рост вулканизма, возможно, был вызван более низким уровнем солнечного излучения, поскольку существует слабая, но статистически значимая связь между уменьшением солнечного излучения и увеличением вулканизма.