stringtranslate.com

Вулканическая зима

Превращение диоксида серы в серную кислоту, которая быстро конденсируется в стратосфере с образованием мелких сульфатных аэрозолей.

Вулканическая зима — это снижение глобальной температуры, вызванное каплями серной кислоты, закрывающими Солнце и повышающими альбедо Земли ( увеличивающими отражение солнечной радиации) после большого, богатого серой, особенно взрывного извержения вулкана . Климатические эффекты в первую очередь зависят от количества выбросов SO 2 и H 2 S в стратосферу , где они реагируют с OH и H 2 O с образованием H 2 SO 4 в течение недели, и образующихся в результате аэрозолей H 2 SO 4 . производят доминирующий радиационный эффект. Вулканические стратосферные аэрозоли охлаждают поверхность, отражая солнечную радиацию , и нагревают стратосферу, поглощая земную радиацию в течение нескольких лет. Более того, тенденция похолодания может быть еще более расширена за счет механизмов обратной связи атмосфера-лед-океан. Эти обратные связи могут продолжать поддерживать прохладный климат еще долгое время после того, как вулканические аэрозоли рассеются.

Физический процесс

Взрывное извержение вулкана выбрасывает в атмосферу магматические материалы в виде вулканического пепла и газов. Хотя большая часть вулканического пепла оседает на землю в течение нескольких недель после извержения, воздействуя только на локальную территорию в течение короткого времени, выбрасываемый SO 2 может привести к образованию аэрозолей H 2 SO 4 в стратосфере. [1] [2] Эти аэрозоли могут окружать полушарие источника извержения в течение нескольких недель и сохраняться со временем затухания электронного свертывания около года. В результате они оказывают радиационное воздействие, которое может продолжаться несколько лет. [3]

На последующее распространение вулканического облака в стратосфере и его влияние на климат сильно влияют несколько факторов, включая сезон извержения, [ 4] широту вулкана-источника, [5] и высоту выброса. [6] Если высота впрыска SO 2 остается ограниченной тропосферой, образующиеся аэрозоли H 2 SO 4 имеют время пребывания всего несколько дней из-за эффективного удаления через осадки. [6] Время жизни аэрозолей H 2 SO 4 в результате внетропических извержений короче, чем в результате тропических извержений, из-за более длинного пути переноса из тропиков к удалению через тропопаузу средних или высоких широт , но внетропические извержения усиливают воздействие на климат полушария за счет ограничения аэрозоля одним полушарием. [5] Инъекции зимой также гораздо менее радиационно эффективны, чем инъекции летом при извержениях вулканов в высоких широтах, когда усиливается удаление стратосферных аэрозолей в полярных регионах. [4]

Предполагается, что знаменитая картина Мунка была вдохновлена ​​красным облаком вулканического аэрозоля над Осло, образовавшимся в результате извержения Аву в 1892 году.

Сульфатный аэрозоль сильно взаимодействует с солнечным излучением посредством рассеяния , вызывая замечательные атмосферные оптические явления в стратосфере. Эти явления включают солнечное затемнение , короны или кольца Бишопа , своеобразную сумеречную окраску и темные полные лунные затмения . [7] [8] Исторические записи, документирующие эти атмосферные явления, являются указаниями на вулканические зимы и относятся к периодам, предшествовавшим нашей эре . [9]

Наблюдения за приземной температурой после исторических извержений показывают, что нет никакой корреляции между размером извержения, представленным VEI или объемом извержения, и серьезностью похолодания климата. Это связано с тем, что размер извержения не коррелирует с количеством выброшенного SO 2 . [10]

Многолетний положительный отзыв

Было высказано предположение, что охлаждающий эффект извержений вулканов может простираться за пределы первых нескольких лет и продолжаться от десятилетий до, возможно, даже тысячелетий. Предполагается, что это продолжительное воздействие является результатом механизмов положительной обратной связи, включающих динамику льда и океана, даже после того, как аэрозоли H 2 SO 4 рассеялись. [11] [12] [13]

В течение первых нескольких лет после извержения вулкана присутствие аэрозолей H 2 SO 4 может вызвать значительный охлаждающий эффект. Это похолодание может привести к повсеместному понижению снеговой линии , что приведет к быстрому расширению морского льда , ледяных шапок и континентальных ледников . В результате температура океана снижается, а альбедо поверхности увеличивается, что еще больше усиливает расширение морского льда, ледяных шапок и ледников. Эти процессы создают сильную положительную обратную связь, позволяя тенденции похолодания сохраняться в течение столетий или даже более длительных периодов времени. [12]

Было высказано предположение, что группа близко расположенных крупных извержений вулканов вызвала или усилила Малый ледниковый период , [14] Поздний античный Малый ледниковый период , [15] стадиалы , [16] Младший дриас , [17] События Генриха , [18] ] и события Дансгаарда-Эшгера [19] через положительные обратные связи атмосфера-лед-океан.

Эффекты выветривания

Временные рамки различных механизмов вулканического охлаждения климата

Выветривание достаточно большого объема быстро извергающихся вулканических материалов было предложено в качестве важного фактора в цикле выветривания силикатов Земли , который длится во времени десятки миллионов лет. [20] Во время этого процесса выветрившиеся силикатные минералы вступают в реакцию с углекислым газом и водой, в результате чего образуются карбонат магния и карбонат кальция . Эти карбонаты затем удаляются из атмосферы и задерживаются на дне океана. Извержение большого объема вулканического материала может усилить процессы выветривания , тем самым снижая уровень CO 2 в атмосфере и способствуя снижению глобальной температуры.

Быстрое внедрение крупных магматических провинций может вызвать быстрое снижение содержания CO 2 в атмосфере, что приведет к образованию ледникового климата продолжительностью в несколько миллионов лет . [21] [22] Ярким примером является стуртовское оледенение , [a] которое считается самым суровым и широко распространенным известным ледниковым явлением в истории Земли. Считается, что это оледенение было вызвано выветриванием извержения Большой магматической провинции Франклин . [22] [23]

Прошлые вулканические похолодания

Реконструкция температуры на основе годичных колец , исторические записи пылевых завес и исследования ледяных кернов подтвердили, что некоторые из самых холодных лет за последние пять тысячелетий были напрямую вызваны массивными вулканическими выбросами SO 2 . [24] [25]

Похолодание в Северном полушарии наблюдается после крупных извержений вулканов, а температуры восстанавливаются по данным годичных колец. [26] [27]

Аномалии температуры полушария, возникающие в результате извержений вулканов, в основном реконструируются на основе данных по годичным кольцам за последние два тысячелетия . [b] [27] [28] [29] [30] Для более ранних периодов голоцена идентификация морозных колец, которые совпадают с большими шипами сульфатов ледяного ядра, служит индикатором суровых вулканических зим. [c] [31] Количественная оценка вулканического похолодания в далеком прошлом, во время последнего ледникового периода, стала возможной благодаря ежегодно разрешаемым записям δ 18 O. [d] [32] Это неполный сборник заметных и последовательных похолоданий, которые были окончательно отнесены к вулканическим аэрозолям, хотя вулканы-источники аэрозолей редко идентифицируются.

Во время последнего ледникового периода на основе величин аномалий δ 18 O делается вывод о вулканическом похолодании, сравнимом с крупнейшим вулканическим похолоданием нашей эры (например, Тамбора, Самалас) . [36] В частности, в период 12 000–32 000 лет назад пик δ 18 O аномалии охлаждения извержений превышает аномалию после крупнейших извержений нашей эры. [37] Одним из извержений последнего ледникового периода, привлекших значительное внимание, является извержение самого молодого туфа Тоба (YTT), которое вызвало бурные дебаты относительно его климатических последствий.

Самый молодой Тоба Туф

Извержение YTT из кальдеры Тоба , произошедшее 74 000 лет назад, считается крупнейшим из известных четвертичных извержений [38] и на два порядка превышает объем магмы крупнейшего исторического извержения Тамборы. [39] Исключительная сила этого извержения вызвала устойчивые дебаты о его глобальном и региональном воздействии на климат.

Измерения концентрации сульфатов и изотопов в кернах полярного льда, взятые примерно 74 000 лет назад, выявили четыре атмосферных аэрозольных явления, которые потенциально можно отнести к YTT. [40] Расчетная нагрузка сульфатов в стратосфере для этих четырех событий колеблется от 219 до 535 миллионов тонн, что в 1–3 раза больше, чем при извержении Самаласа в 1257 году нашей эры. [41] Модели глобального климата моделируют пиковое среднее глобальное похолодание от 2,3 до 4,1 К для такого количества изверженных сульфатных аэрозолей, и полное восстановление температуры не произойдет в течение 10 лет. [42]

Однако эмпирические данные об охлаждении, вызванном YTT, неоднозначны. YTT совпадает с наступлением Гренландского стадиона 20 (GS-20), для которого характерен 1500-летний период похолодания. [43] GS-20 считается самым изотопно экстремальным [44] и самым холодным стадиалом [45] , а также самым слабым азиатским муссоном [46] за последние 100 000 лет. Этот момент заставил некоторых задуматься о связи между YTT и GS-20. [47] [48] Стратиграфическое положение YTT по отношению к переходу GS-20 предполагает, что стадиал произошел бы без YTT, поскольку похолодание уже продолжалось. [49] [50] Существует вероятность того, что YTT способствовал окончанию GS-20. [50] [51] В Южно-Китайском море наблюдается похолодание на 1 К в течение 1000 лет после отложения YTT, [52] в то время как в Аравийском море не наблюдается заметного воздействия. [53] В Индии и Бенгальском заливе первоначальное похолодание и длительное высыхание наблюдаются над слоем пепла YTT, [45] но утверждается, что эти изменения окружающей среды уже происходили до YTT. [54] Отложения озера Малави не предоставляют доказательств, подтверждающих вулканическую зиму в течение нескольких лет после извержения YTT, [55] [56] [57] , но разрешение отложений подвергается сомнению из-за смешивания отложений. [58] Непосредственно над слоем YTT в озере Малави имеются свидетельства 2000-летней мегазасухи и периода похолодания. [59] Ледяные керны Гренландии указывают на 110-летний период ускоренного охлаждения сразу после вероятного аэрозольного явления YTT. [60]

Стуртовское оледенение

Усиленное выветривание базальтов континентальных паводков, которые извергались незадолго до начала стуртианского оледенения 717 миллионов лет назад, признано спусковым крючком самого сильного оледенения в истории Земли. [23] [22] [21] В этот период температура поверхности Земли повсюду упала ниже точки замерзания воды, [61] и лед быстро распространился от низких широт к экватору , охватив всю планету. [62] Это оледенение длилось почти 60 миллионов лет, с 717 по 659 миллионов лет назад. [63]

Геохронология датирует быстрое внедрение крупной магматической провинции Франклин площадью 5 000 000 км 2 (1 900 000 квадратных миль) всего за 1 миллион лет до начала стертианского оледенения. [23] Несколько крупных магматических провинций площадью 1 000 000 км 2 (390 000 квадратных миль) также были расположены на Родинии между 850 и 720 миллионами лет назад. [64] [65] Выветривание огромного количества свежих мафических материалов вызвало стремительное охлаждение и обратную связь с альбедо льда через 1 миллион лет. Химический изотопный состав показывает массивный поток выветрившихся недавно извергнутых материалов, попадающих в океан, что совпало с извержениями крупных магматических провинций. [66] [67] Моделирование показывает, что повышенная погодозависимость привела к падению содержания CO 2 в атмосфере примерно на 1320 частей на миллион и похолоданию глобальной температуры на 8 К, что вызвало самый необычный эпизод изменения климата в геологической летописи. [68]

Влияние на жизнь

Кальдера супервулкана озеро Тоба .

Причины узкого места в популяциях  – резкое сокращение популяции вида , за которым сразу же следует период большой генетической дивергенции ( дифференциации ) среди выживших – некоторые исследователи связывают с вулканическими зимами. Такие события могут уменьшить популяцию до «достаточно низкого уровня, чтобы эволюционные изменения, которые происходят гораздо быстрее в небольших популяциях, привели к быстрой дифференциации популяций». [69] Из-за узкого места озера Тоба многие виды продемонстрировали огромные последствия сужения генофонда, и Тоба, возможно, сократил человеческую популяцию до 15 000–40 000 или даже меньше. [69]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Стуртианское оледенение спорно называют « Землей-снежком ».
  2. ^ Каждая реконструкция приводит к разной степени вулканического охлаждения.
  3. ^ Повреждение от заморозков означает редкое явление падения температуры ниже нуля в течение вегетационного периода .
  4. ^ Запись δ 18 O является показателем местных температур.

Рекомендации

  1. ^ Робок 2000, с. 193.
  2. ^ Коул-Дай 2010, стр. 825.
  3. ^ Робок 2000, с. 214.
  4. ^ аб Яковино и др. 2016, с. 8.
  5. ^ аб Тухи и др. 2019, с. 100.
  6. ^ ab Cole-Dai 2010, стр. 825–826.
  7. ^ Робок 2000, стр. 194–197.
  8. ^ Гийе и др. 2023, с. 90.
  9. ^ Бэйли 1991, стр. 238–242.
  10. ^ Шмидт и Блэк 2022, с. 628.
  11. ^ Робок 2000, с. 209.
  12. ^ Аб Чжун и др. 2011, с. 2373.
  13. ^ Бальдини, Браун и МакЭлвейн, 2015, с. 1.
  14. ^ Миллер и др. 2012, с. 1.
  15. ^ аб Бюнтген и др. 2016, с. 1.
  16. ^ Бэй, Брамолл и Прайс 2004, стр. 6344–6345.
  17. ^ Бальдини и др. 2018, стр. 974–977.
  18. ^ Балдини, Браун и МакЭлвейн, 2015, стр. 2–5.
  19. ^ Ломанн и Свенссон, 2022, стр. 2033–2037.
  20. ^ Джонс и др. 2016, стр. 14–16.
  21. ^ аб Годдерис и др. 2003, с. 1.
  22. ^ abc Кокс и др. 2016, с. 89.
  23. ^ abc Pu et al. 2022, с. 1.
  24. ^ Сигл и др. 2015, с. 5.
  25. ^ Salzer & Hughes 2007, стр. 61–63.
  26. ^ Сигл и др. 2021.
  27. ^ abcdef Guillet et al. 2020.
  28. ^ Уилсон и др. 2016, стр. 11–12.
  29. ^ Шнайдер и др. 2015, стр. 4560–4561.
  30. ^ Бюнтген и др. 2021, стр. 5–6.
  31. ^ Ламарш и Хиршбёк 1984, стр. 121.
  32. ^ Ломанн и др. 2023, с. 1.
  33. ^ Соден и др. 2002, с. 728.
  34. ^ Рампино и Селф 1982, с. 132.
  35. ^ МакКоннелл и др. 2020, с. 3.
  36. ^ Ломанн и др. 2023, с. 10.
  37. ^ Ломанн и др. 2023, с. 11.
  38. ^ Чеснер и др. 1991, с. 200.
  39. ^ Чеснер и др. 1991, с. 202.
  40. ^ Свенссон и др. 2013, с. 755.
  41. ^ Лин и др. 2023, с. 5.
  42. ^ Блэк и др. 2021, с. 3.
  43. ^ Крик и др. 2021, стр. 2130–2132.
  44. ^ Свенссон и др. 2013, с. 760.
  45. ^ аб Уильямс и др. 2009, с. 295.
  46. ^ Ду и др. 2019, с. 1.
  47. ^ Зелински и др. 1996, с. 840.
  48. ^ Поляк, Асмером и Лачниет 2017, с. 843.
  49. ^ Зелински и др. 1996, стр. 839–840.
  50. ^ аб Крик и др. 2021, с. 2119.
  51. ^ Менкинг и др. 2022, с. 5.
  52. ^ Хуанг и др. 2001, с. 3915.
  53. ^ Шульц и др. 2002, с. 22.
  54. ^ Петралья и др. 2012, с. 119.
  55. ^ Лейн, Чорн и Джонсон 2013, с. 8025.
  56. ^ Джексон и др. 2015, с. 823.
  57. ^ Йост и др. 2018, с. 75.
  58. ^ Амвросий 2019, стр. 183–185.
  59. ^ Амвросий 2019, стр. 187–188.
  60. ^ Лин и др. 2023, с. 7.
  61. ^ Хоффман и др. 2017, с. 2.
  62. ^ Лан и др. 2014, с. 401.
  63. ^ Митчелл и др. 2019, с. 381.
  64. ^ Кокс и др. 2016, с. 91.
  65. ^ Лу и др. 2022, с. 1.
  66. ^ Руни и др. 2014, с. 55.
  67. ^ Кокс и др. 2016, стр. 92–94.
  68. ^ Доннадье и др. 2004, стр. 303.
  69. ^ аб Берроуз, Уильям Джеймс (2005). Изменение климата в доисторические времена: конец правления хаоса, Cambridge University Press, стр. 139 ISBN  978-0521824095

Источники

дальнейшее чтение

Внешние ссылки