stringtranslate.com

Вулканическая зима

Превращение диоксида серы в серную кислоту, которая быстро конденсируется в стратосфере, образуя мелкие сульфатные аэрозоли.

Вулканическая зима — это снижение глобальной температуры, вызванное каплями серной кислоты, затмевающими Солнце и повышающими альбедо Земли ( увеличивающими отражение солнечного излучения) после крупного, богатого серой, особенно взрывного вулканического извержения . Климатические эффекты в первую очередь зависят от количества инъекций SO 2 и H 2 S в стратосферу , где они реагируют с OH и H 2 O, образуя H 2 SO 4 в масштабе времени недели, и полученные аэрозоли H 2 SO 4 производят доминирующий радиационный эффект. Вулканические стратосферные аэрозоли охлаждают поверхность, отражая солнечное излучение , и нагревают стратосферу, поглощая земное излучение в течение нескольких лет. Более того, тенденция к охлаждению может быть дополнительно расширена механизмами обратной связи атмосфера–лед–океан. Эти обратные связи могут продолжать поддерживать прохладный климат долгое время после того, как вулканические аэрозоли рассеялись.

Физический процесс

Взрывное извержение вулкана выбрасывает в атмосферу магматические материалы в виде вулканического пепла и газов. В то время как большая часть вулканического пепла оседает на землю в течение нескольких недель после извержения, воздействуя только на локальную область в течение короткого периода времени, выбрасываемый SO 2 может привести к образованию аэрозолей H 2 SO 4 в стратосфере. [1] [2] Эти аэрозоли могут облететь полушарие источника извержения за несколько недель и сохраняться с e -folding временем распада около года. В результате они оказывают радиационное воздействие, которое может длиться несколько лет. [3]

Последующее рассеивание вулканического облака в стратосфере и его воздействие на климат в значительной степени зависят от нескольких факторов, включая сезон извержения [4] , широту исходного вулкана [5] и высоту впрыска. [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, образующихся в результате внетропических извержений, короче по сравнению с аэрозолями из тропических извержений из-за более длинного пути переноса из тропиков до удаления через тропопаузу средних или высоких широт , но внетропические извержения усиливают воздействие на климат полушария, ограничивая аэрозоль одним полушарием. [5] Инъекции зимой также гораздо менее эффективны с точки зрения излучения, чем инъекции летом для высокоширотных вулканических извержений, когда удаление стратосферных аэрозолей в полярных регионах усиливается. [4]

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

Сульфатный аэрозоль сильно взаимодействует с солнечным излучением посредством рассеивания , что приводит к замечательным атмосферным оптическим явлениям в стратосфере. Эти явления включают солнечное затемнение , короны или кольца Бишопа , необычную сумеречную окраску и темные полные лунные затмения . [7] [8] Исторические записи, которые документируют эти атмосферные явления, являются указаниями на вулканические зимы и датируются периодами, предшествовавшими нашей эре . [9]

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

Долгосрочные положительные отзывы

Было высказано предположение, что охлаждающие эффекты вулканических извержений могут выходить за рамки первых нескольких лет, продолжаясь десятилетиями, а возможно, и тысячелетиями. Предполагается, что это длительное воздействие является результатом положительных обратных механизмов, 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 охлаждение может привести к повсеместному понижению снеговой линии , что позволит быстро расширить морской лед , ледяные шапки и континентальные ледники . В результате температура океана понижается, а альбедо поверхности увеличивается, что еще больше усиливает расширение морского льда, ледяных шапок и ледников. Эти процессы создают сильную положительную обратную связь, позволяя тенденции охлаждения сохраняться в масштабах столетий или даже более длительных периодов времени. [12]

Было высказано предположение, что группа близко расположенных крупных вулканических извержений спровоцировала или усилила Малый ледниковый период , [14] Малый ледниковый период поздней античности , [15] стадиалы , [16] Поздний дриас , [17] события Хайнриха , [18] и события Дансгора-Эшгера [19] посредством положительных обратных связей атмосфера-лед-океан.

Эффекты выветривания

Временные масштабы различных механизмов вулканического охлаждения на климат

Выветривание достаточно большого объема быстро извергающихся вулканических материалов было предложено в качестве важного фактора в цикле выветривания силикатов Земли , который действует в масштабе времени десятков миллионов лет. [20] Во время этого процесса выветренные силикатные минералы реагируют с углекислым газом и водой, что приводит к образованию карбоната магния и карбоната кальция . Эти карбонаты затем удаляются из атмосферы и изолируются на дне океана. Извержение большого объема вулканических материалов может усилить процессы выветривания , тем самым снижая уровень CO 2 в атмосфере и способствуя снижению глобальной температуры.

Быстрое размещение крупных магматических провинций может привести к быстрому снижению содержания CO 2 в атмосфере , что приведет к многомиллионной ледниковой климатической эпохе. [21] [22] Ярким примером является оледенение Стерта , [a] , которое считается самым суровым и широко распространенным известным ледниковым событием в истории Земли. Считается, что это оледенение было вызвано выветриванием извергнувшейся магматической провинции Франклина . [22] [23]

Прошлые вулканические похолодания

Реконструкции температуры на основе годичных колец деревьев , исторические записи о пылевых завесах 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 вулканических извержений, а температуры реконструируются на основе данных годичных колец деревьев. [26] [27]

Аномалии температуры в полушарии, вызванные вулканическими извержениями, в первую очередь были реконструированы на основе данных о годичных кольцах деревьев за последние два тысячелетия . [b] [27] [28] [29] [30] Для более ранних периодов голоцена идентификация морозных колец, которые совпадают с крупными выбросами сульфата в ледяных кернах, служит индикатором суровых вулканических зим. [c] [31] Количественная оценка вулканических похолоданий в более ранние времена во время последнего ледникового периода стала возможной благодаря ежегодно регистрируемым записям δ 18 O. [d] [32] Это неполный сборник заметных и важных похолоданий, которые были определенно приписаны вулканическим аэрозолям, хотя вулканы-источники аэрозолей редко идентифицируются.

Во время последнего ледникового периода вулканические охлаждения, сопоставимые с крупнейшими вулканическими охлаждениями во время нашей эры (например, Тамбора, Самалас), предполагаются на основе величин аномалий δ 18 O. [36] В частности, в период 12 000–32 000 лет назад пиковая аномалия охлаждения δ 18 O извержений превышает аномалию после крупнейших извержений в нашей эре. [37] Одним из последних извержений ледникового периода, которое привлекло значительное внимание, является извержение самого молодого туфа Тоба (YTT), которое вызвало бурные дебаты относительно его влияния на климат.

Самый молодой Тоба Туфф

Извержение YTT из кальдеры Тоба , произошедшее 74 000 лет назад, считается крупнейшим известным извержением четвертичного периода [38] и на два порядка превышает объем магмы крупнейшего исторического извержения Тамборы [39] . Исключительная величина этого необычного извержения вызвала продолжительные дебаты относительно его глобального и регионального воздействия на климат.

Концентрация сульфата и измерения изотопов из полярных ледяных кернов, взятых около 74 000 лет назад, выявили четыре атмосферных аэрозольных события, которые потенциально могут быть отнесены к YTT. [40] Расчетные стратосферные сульфатные нагрузки для этих четырех событий варьируются от 219 до 535 миллионов тонн, что в 1-3 раза больше, чем при извержении Самаласа в 1257 году н. э. [41] Глобальные климатические модели имитируют пиковое глобальное среднее похолодание от 2,3 до 4,1 К для этого количества извергнутых сульфатных аэрозолей, и полное восстановление температуры не происходит в течение 10 лет. [42]

Однако эмпирические данные об охлаждении, вызванном YTT, неоднозначны. YTT совпадает с началом Гренландского стадиала 20 (GS-20), который характеризуется 1500-летним периодом охлаждения. [43] GS-20 считается самым изотопно экстремальным [44] и самым холодным стадиалом, [45], а также имеет самый слабый азиатский муссон , [46] за последние 100 000 лет. Это время заставило некоторых рассуждать 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 началось. [49] [50] Существует вероятность, что YTT способствовал экстремальности GS-20. [50] [51] Южно -Китайское море показывает охлаждение на 1 К в течение 1000 лет после осаждения YTT, [52] в то время как Аравийское море не показывает заметного воздействия. [53] В Индии и Бенгальском заливе первоначальное охлаждение и продолжительное высыхание наблюдаются над слоем пепла YTT, [45] но утверждается, что эти изменения окружающей среды уже происходили до YTT. [54] Осадки озера Малави не предоставляют доказательств, подтверждающих вулканическую зиму в течение нескольких лет после извержения YTT, [55] [56] [57] но разрешение осадков ставится под сомнение из-за смешивания осадков. [58] Непосредственно над слоем YTT в озере Малави есть свидетельства 2000-летней мегазасухи и периода охлаждения. [59] Ледяные керны Гренландии идентифицируют 110-летний период ускоренного охлаждения сразу после того, что, вероятно, является аэрозольным событием YTT. [60]

Стертовское оледенение

Усиленное выветривание континентальных базальтов, извергавшихся непосредственно перед началом стертовского оледенения 717 миллионов лет назад, признано причиной самого сильного оледенения в истории Земли. [23] [22] [21] В этот период температура поверхности Земли повсеместно упала ниже точки замерзания воды, [61] и лед быстро продвинулся от низких широт к экватору , охватив всю территорию мира. [62] Это оледенение длилось почти 60 миллионов лет, с 717 до 659 миллионов лет назад. [63]

Геохронология датирует быстрое размещение 5 000 000 км 2 (1 900 000 кв. миль) крупной магматической провинции Франклина всего за 1 миллион лет до начала оледенения Стерта. [23] Несколько крупных магматических провинций в масштабе 1 000 000 км 2 (390 000 кв. миль) также были размещены на Родинии между 850 и 720 миллионами лет назад. [64] [65] Выветривание огромного количества свежих мафических материалов инициировало неконтролируемое охлаждение и обратную связь лед-альбедо после 1 миллиона лет. Химические изотопные составы показывают массивный поток выветренных свежеизвергнутых материалов, поступающих в океан, что совпало с извержениями крупных магматических провинций. [66] [67] Моделирование показывает, что возросшая подверженность атмосферным воздействиям привела к снижению концентрации CO2 в атмосфере на 1320 частей на миллион и снижению 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 популяции  — резкое сокращение популяции вида , за которым немедленно следует период большой генетической дивергенции ( дифференциации ) среди выживших — некоторые исследователи приписывают вулканическим зимам. Такие события могут уменьшить популяции до «уровней, достаточно низких для эволюционных изменений, которые происходят гораздо быстрее в небольших популяциях, чтобы вызвать быструю дифференциацию популяции». [69] С узким местом озера Тоба многие виды продемонстрировали огромные эффекты сужения генофонда, и Тоба, возможно, сократила человеческую популяцию до 15 000–40 000 или даже меньше. [69]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Стертовское оледенение часто называют « Землей-снежком ».
  2. ^ Каждая реконструкция приводит к разным величинам вулканического охлаждения.
  3. ^ Повреждение заморозками подразумевает редкое возникновение температур ниже нуля в течение вегетационного периода .
  4. ^ Запись δ 18 O является косвенным показателем местных температур.

Ссылки

  1. ^ Робок 2000, стр. 193.
  2. ^ Коул-Дай 2010, стр. 825.
  3. ^ Робок 2000, стр. 214.
  4. ^ аб Яковино и др. 2016, с. 8.
  5. ^ ab Toohey et al. 2019, стр. 100.
  6. ^ ab Cole-Dai 2010, стр. 825–826.
  7. ↑ Робок 2000, стр. 194–197.
  8. ^ Гийе и др. 2023, стр. 90.
  9. ^ Бэйли 1991, стр. 238–242.
  10. ^ Шмидт и Блэк 2022, стр. 628.
  11. ^ Робок 2000, стр. 209.
  12. ^ Аб Чжун и др. 2011, с. 2373.
  13. ^ Балдини, Браун и МакЭлвейн 2015, стр. 1.
  14. ^ Миллер и др. 2012, стр. 1.
  15. ^ аб Бюнтген и др. 2016, с. 1.
  16. ^ Бэй, Брэмолл 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 Cox et al. 2016, стр. 89.
  23. ^ abc Pu et al. 2022, стр. 1.
  24. ^ Сигл и др. 2015, стр. 5.
  25. ^ Salzer & Hughes 2007, стр. 61–63.
  26. ^ Сигл и др. 2021.
  27. ^ abcdef Гийе и др. 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, стр. 1.
  33. ^ Соден и др. 2002, стр. 728.
  34. ^ Рампино и Селф 1982, с. 132.
  35. ^ Макконнелл и др. 2020, стр. 3.
  36. ^ Ломанн и др. 2023, стр. 10.
  37. ^ Ломанн и др. 2023, стр. 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, стр. 5.
  42. ^ Блэк и др. 2021, стр. 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, стр. 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. ^ ab Crick et al. 2021, стр. 2119.
  51. ^ Менкинг и др. 2022, стр. 5.
  52. ^ Хуан и др. 2001, стр. 3915.
  53. ^ Шульц и др. 2002, стр. 22.
  54. ^ Петралья и др. 2012, с. 119.
  55. ^ Лейн, Чорн и Джонсон 2013, стр. 8025.
  56. ^ Джексон и др. 2015, стр. 823.
  57. ^ Йост и др. 2018, стр. 75.
  58. ^ Эмброуз 2019, стр. 183–185.
  59. ^ Эмброуз 2019, стр. 187–188.
  60. ^ Лин и др. 2023, стр. 7.
  61. ^ Хоффман и др. 2017, стр. 2.
  62. ^ Лан и др. 2014, стр. 401.
  63. ^ Митчелл и др. 2019, стр. 381.
  64. ^ Кокс и др. 2016, стр. 91.
  65. ^ Лу и др. 2022, стр. 1.
  66. ^ Руни и др. 2014, стр. 55.
  67. ^ Кокс и др. 2016, стр. 92–94.
  68. ^ Доннадье и др. 2004, стр. 303.
  69. ^ ab Берроуз, Уильям Джеймс (2005). Изменение климата в доисторический период: конец правления хаоса, Cambridge University Press, стр. 139 ISBN  978-0521824095

Источники

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Найдите информацию о вулканической зиме в Викисловаре, бесплатном словаре.