Potężna erupcja wulkaniczna może na kilka lat wpłynąć na klimat całej planety. Głównym sprawcą krótkotrwałego ochłodzenia nie jest wcale popiół wulkaniczny, lecz niewidoczny gaz – dwutlenek siarki (SO₂).
Jeżeli podczas dużej erupcji odpowiednio dużo SO₂ dotrze do stratosfery, przekształca się w aerozole siarczanowe, które rozpraszają część docierającego do Ziemi promieniowania słonecznego. Do powierzchni planety dociera wtedy mniej energii i temperatura spada. Efekt może objąć znaczną część globu i utrzymywać się przez rok, dwa, a w przypadku wyjątkowo silnych erupcji nawet dłużej.
Wulkany potrafią jednak działać na klimat również w przeciwnym kierunku. W bardzo długiej skali czasu ogromne epizody wulkanizmu mogą dostarczać do atmosfery znacznych ilości gazów cieplarnianych, przede wszystkim dwutlenku węgla.
Nie popiół, lecz siarka
Podczas erupcji eksplozywnych mieszanina gazów, popiołu i fragmentów skał może zostać wyrzucona na wysokość kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu kilometrów. Dla klimatu szczególnie ważne jest to, czy produkty erupcji dotrą do stratosfery.
W troposferze, czyli najniższej warstwie atmosfery, opady stosunkowo szybko usuwają większość popiołu i aerozoli. Stratosfera jest znacznie bardziej stabilna i niemal pozbawiona zjawisk pogodowych odpowiedzialnych za szybkie wymywanie cząstek.
Wyrzucony wysoko dwutlenek siarki reaguje w atmosferze i prowadzi do powstawania drobnych kropelek zawierających kwas siarkowy – aerozoli siarczanowych. Mogą one utrzymywać się w stratosferze miesiącami lub latami i rozprzestrzeniać się na ogromnych obszarach. Aerozole rozpraszają i odbijają część promieniowania słonecznego z powrotem w przestrzeń kosmiczną. W efekcie mniej energii dociera do powierzchni Ziemi, co prowadzi do jej ochłodzenia.
Sam popiół wulkaniczny ma zazwyczaj znacznie mniejsze i krótsze znaczenie klimatyczne. Większe jego cząstki stosunkowo szybko opadają pod wpływem grawitacji. Nawet drobny popiół pozostający dłużej w atmosferze zwykle nie dorównuje pod względem długotrwałego globalnego oddziaływania stratosferycznym aerozolom siarczanowym.
Dlatego o sile klimatycznego oddziaływania erupcji nie decyduje wyłącznie jej wielkość ani ilość wyrzuconego popiołu. Bardzo ważne są ilość wyemitowanej siarki, wysokość, na którą trafi SO₂, szerokość geograficzna wulkanu, pora roku oraz sposób rozprzestrzeniania się aerozoli w atmosferze.
Pinatubo – naturalny eksperyment klimatyczny
Jednym z najlepiej poznanych przykładów jest potężna erupcja Pinatubo na Filipinach w czerwcu 1991 roku. Do stratosfery dostało się wówczas około 18–20 mln ton SO₂ – to największa ilość zarejestrowana w stratosferze od początku systematycznych obserwacji satelitarnych w 1978 roku.
Powstała chmura aerozoli w ciągu kilku tygodni rozprzestrzeniła się wokół planety. Następstwa były mierzalne na całym świecie. Średnia temperatura powierzchni Ziemi obniżyła się o około 0,5°C, a efekt utrzymywał się przez mniej więcej dwa lata. Na półkuli północnej obserwowano ochłodzenie sięgające około 0,5–0,6°C.
Rok bez lata
W kwietniu 1815 roku na indonezyjskiej wyspie Sumbawa rozpoczęła się katastrofalna erupcja Tambory, jedna z największych erupcji eksplozywnych w czasach historycznych. Ogromne ilości związków siarki, które dostały się do stratosfery, spowodowały silne zaburzenie bilansu radiacyjnego Ziemi. Skutki stały się szczególnie widoczne w następnym roku. 1816 przeszedł nawet do historii jako „rok bez lata”.
W części Europy i Ameryki Północnej wystąpiły wyjątkowo niskie temperatury, przymrozki podczas miesięcy letnich oraz zaburzenia rozkładu opadów. Dochodziło do nieurodzaju, wzrostu cen żywności i kryzysów społecznych.
Nie oznacza to, że wszystkie anomalie pogodowe 1816 roku były prostym i bezpośrednim skutkiem Tambory – klimat pozostawał pod wpływem również innych czynników. Erupcja była jednak jednym z najważniejszych powodów wyjątkowo chłodnych warunków.
Krakatau i niezwykłe zachody Słońca
Kolejnym słynnym przykładem była erupcja Krakatau w 1883 roku. Aerozole powstałe z gazów wulkanicznych rozprzestrzeniły się w stratosferze i przyczyniły się do ochłodzenia klimatu. Jednocześnie ich obecność wpłynęła na sposób rozpraszania światła w atmosferze. W wielu miejscach świata przez kolejne miesiące obserwowano niezwykle intensywne czerwone i pomarańczowe zachody Słońca.
Laki – inny rodzaj katastrofy
Erupcja nie musi być potężną eksplozją, aby uwolnić ogromne ilości gazów. Dobrym przykładem jest erupcja szczelinowa Laki na Islandii, która rozpoczęła się w czerwcu 1783 roku i trwała około ośmiu miesięcy. Była związana z systemem wulkanicznym Grímsvötn i należała do największych erupcji lawowych czasów historycznych.
Do atmosfery przedostały się ogromne ilości dwutlenku siarki. Nad znaczną częścią Europy pojawiła się charakterystyczna sucha mgła siarkowa. Zanieczyszczenie powietrza miało poważne konsekwencje dla ludzi i zwierząt, a na Islandii związki fluoru osadzające się na roślinności przyczyniły się do masowego padania zwierząt gospodarskich i katastrofalnego głodu.
Erupcja wpłynęła również na warunki atmosferyczne w Europie i innych częściach półkuli północnej. Jej wpływ klimatyczny był jednak bardziej złożony niż w przypadku typowej dużej erupcji eksplozywnej, która gwałtownie wprowadza wielką porcję SO₂ wysoko do stratosfery.
Wulkany mogą wpływać także na warstwę ozonową
Stratosferyczne aerozole siarczanowe nie tylko zmieniają bilans energetyczny Ziemi. Na powierzchni ich drobnych cząstek mogą zachodzić reakcje chemiczne wpływające na związki chloru i azotu w atmosferze.
Po erupcji Pinatubo obserwowano nasilenie procesów prowadzących do niszczenia ozonu stratosferycznego. Wpływ erupcji na warstwę ozonową zależy jednak od składu atmosfery i obecności substancji uczestniczących w reakcjach niszczących ozon.
Czy wulkany odpowiadają za współczesne globalne ocieplenie?
Wulkany emitują dwutlenek węgla, czyli jeden z najważniejszych gazów cieplarnianych. Współczesne emisje wulkaniczne są jednak wielokrotnie mniejsze od emisji związanych z działalnością człowieka. Dotyczy to zarówno erupcji, jak i stałego odgazowywania aktywnych systemów wulkanicznych na lądach i pod oceanami.
Dlatego współczesnego globalnego ocieplenia nie można wyjaśnić aktywnością wulkaniczną. W skali lat wpływ największych erupcji jest wręcz przeciwny – prowadzą one przede wszystkim do krótkotrwałego ochłodzenia wskutek obecności aerozoli siarczanowych w stratosferze.
Co więcej, ogrzewający wpływ CO₂ wyemitowanego przez pojedynczą współczesną erupcję jest zazwyczaj znacznie mniejszy od krótkotrwałego efektu chłodzącego wywołanego przez siarkę, jeśli erupcja wprowadzi jej odpowiednio dużo do stratosfery.
Zupełnie inaczej wygląda sytuacja, gdy cofniemy się o miliony lat i zamiast pojedynczej erupcji rozpatrzymy ogromne, długotrwałe epizody wulkanizmu. W historii Ziemi dochodziło do powstawania tzw. wielkich prowincji magmatycznych (Large Igneous Provinces, LIP). W takich okresach w ciągu setek tysięcy lub milionów lat na powierzchnię wydostawały się olbrzymie ilości magmy, tworząc pokrywy lawowe obejmujące niekiedy miliony kilometrów kwadratowych.
Jednym z najbardziej znanych przykładów są trapy syberyjskie, powstałe około 252 mln lat temu, w pobliżu granicy permu i triasu. Długotrwałe emisje CO₂ związane z tym wulkanizmem, a także gazy uwalniane podczas ogrzewania przez magmę bogatych w węgiel skał osadowych, przyczyniły się do gwałtownego wzrostu stężenia gazów cieplarnianych. Nastąpiło globalne ocieplenie, zakwaszenie i odtlenienie oceanów oraz poważne zaburzenia obiegu pierwiastków. Epizod ten jest ściśle związany w czasie z największym masowym wymieraniem w historii Ziemi.
Podobne związki między wielkimi prowincjami magmatycznymi, zmianami klimatu i kryzysami biologicznymi obserwujemy również w innych okresach geologicznych. Nie oznacza to jednak, że sam CO₂ wydobywający się bezpośrednio z lawy zawsze był jedynym mechanizmem – znaczenie mogły mieć również metan, związki siarki, halogeny oraz oddziaływanie magmy ze skałami osadowymi.
Jedna erupcja chłodzi, milion lat wulkanizmu może ogrzewać
Wpływ wulkanów na klimat zależy więc przede wszystkim od skali czasowej, rodzaju emitowanych gazów oraz miejsca, do którego trafiają w atmosferze. Duża erupcja eksplozywna może wprowadzić SO₂ do stratosfery i spowodować globalne ochłodzenie trwające zwykle rok lub kilka lat. Aerozole stopniowo jednak opadają i są usuwane z atmosfery, więc efekt zanika.
Dwutlenek węgla działa zupełnie inaczej. Nie tworzy krótkotrwałej osłony ograniczającej dopływ światła słonecznego, lecz wzmacnia efekt cieplarniany, a część zaburzenia wywołanego zwiększeniem jego stężenia pozostaje w systemie klimatycznym bardzo długo.
Dlatego wulkany mogą być zarówno sprawcami krótkotrwałego ochłodzenia, jak i – w przypadku gigantycznych, długotrwałych epizodów wulkanizmu w przeszłości geologicznej – jednym z czynników prowadzących do długotrwałego globalnego ocieplenia.
To, czy wulkan ochładza, czy ogrzewa planetę, zależy więc nie tyle od samego faktu erupcji, ile od tego co, ile, jak długo i jak wysoko wulkan wyrzuca do atmosfery.
