18.8 C
Gdańsk
wtorek, 23 lipca, 2024

Wpływ zmian klimatu na procesy wulkaniczne: obecne zrozumienie i przyszłe wyzwania / Thomas J. Aubry ,Jamie I. Farquharson ,Colina R. Rowell ,Sebastian FL Watt ,Wirginia Pinel ,Franciszk Beckett ,Jan Fasullo ,Petera O. Hopcroft ,David M.Pyle ,Anja Schmidt & John Staunton Sykes

0
809
[Temat wpływu wulkanizmu na klimat podnosiłem na łamach WOBEC już wielokrotnie. Od początku też nawołuję do zorganizowania międzynarodowych badań nad wpływem wulkanów, topnienia lodowców i prądów oceanicznych na klimat. Jak dowiaduję się z poniższego artykułu badania takie efemerycznie i w sposób jeszcze nieskoordynowany są podejmowane i związków między wulkanizmem a zmianami klimatycznymi negować nie sposób. Wprawdzie autorzy artykułu wciąż biją się w piersi i odwracają niekiedy podejście do tego problemu sugerując, że to nasze, ludzkie działania mają wpływ na wulkanizm, ale ich hipotezy też będą weryfikowane. Najważniejsze, by wreszcie takie badania usystematyzować i nadać im międzynarodowy charakter. Ten nastąpi tak, czy inaczej, gdyż dziś dostęp do informacji jest niemal nieograniczony.
Odnośnie dostępu do informacji ośmielam się postawić kolejną hipotezę. Wulkanizm wpływa i wpływał nie tylko na proces ochłodzenia klimatu (w związku ze wzrostem wulkanizmu i erupcjami wulkanów o znacznej skali VEI ), ale również ma związek z innym zjawiskiem, mianowicie z opadami deszczu i powodziami. Hipotezę taką nasunęła mi ostatnia erupcja podwodnego wulkanu Hunga Tonga, w wyniku, której aż o 10% wzrosła zawartość pary wodnej w atmosferze. Jak się okazuje erupcje podwodnych wulkanów stanowią aż 80% wszystkich erupcji. Jak dowiedziałem się z Facebooka Wulkany świata (Bartłomieja Krawczyka) obecnie w stanie erupcji znajduje się podmorski wulkan East Epi (Kaitoku). Trwają erupcje freatyczne, ma miejsce emisja pary.  Ciekawe, czy i ta erupcja skutkować będzie wzmożonymi opadami i powodziami? Czy powtórzą się kataklizmy z roku ubiegłego? Jeśli tak, hipoteza ta znajdzie jakieś potwierdzenie. Można też weryfikować ją na podstawie informacji jakie posiadamy z przeszłości, gdyż te od kilkudziesięciu lat są coraz częstsze.  Do ostatniej erupcji East Epi doszło w 2004 roku. Znalazłem też tabelę:

: Zmiana zawartości pary wodnej nad powierzchnią oceanów

Rysunek 1: Zmiana zawartości pary wodnej nad powierzchnią oceanów w procentach w stosunku do okresu 1988-2004 oraz trend liniowy, mierzony przez satelitę (IPCC AR4 3.4.2.1).

Uważam, ze warto też badać zmiany zawartości pary wodnej w atmosferze. Jak się okazuje, ta może ulegać znaczącym okresowym zmianom.  Może warto sprawdzić, czy zmiany te mają związek z erupcjami podmorskich wulkanów. Przyroda wciąż ma wiele tajemnic. Warto poznawać choć niektóre z nich. By to jednak było możliwe najpierw musimy zauważać związki,  stawiać pytania i hipotezy.
                                      Piotr Kotlarz]

 

Abstrakt

Wpływ erupcji wulkanów na klimat jest coraz lepiej rozumiany, ale lustrzane pytanie, w jaki sposób zmiany klimatu wpływają na systemy i procesy wulkaniczne, które nazywamy „wpływami klimatyczno-wulkanicznymi”, pozostaje niedostatecznie zbadane. Przyspieszenie badań na ten temat ma kluczowe znaczenie w świetle szybkich zmian klimatu spowodowanych działalnością antropogeniczną. W ciągu ostatnich dwóch dekad poszerzyliśmy naszą wiedzę na temat tego, jak rozkład masy na powierzchni Ziemi, w szczególności zmiany w rozkładzie lodu i wody związane z cyklami lodowcowymi, wpływają na topnienie płaszcza, przetwarzanie magmy skorupy ziemskiej i tempo erupcji. Pojawiły się również nowe hipotezy dotyczące wpływu zmiany klimatu na procesy erupcji, w tym wpływu zmiany warunków powierzchniowych i atmosferycznych na styl erupcji i wznoszenie się chmur wulkanicznych oraz w jaki sposób cykl życia aerozolu siarczanu wulkanu, wymuszanie radiacyjne i wpływ klimatu są modulowane przez warunki klimatyczne tła. Przyszłe ulepszenia w rekonstrukcjach klimatu z przeszłości i bieżących obserwacjach klimatu, zapisy erupcji wulkanów i monitorowanie wulkanów oraz modele numeryczne odgrywają rolę w pogłębianiu naszej wiedzy na temat wpływu wulkanów na klimat. Do zbadania pozostają ważne mechanizmy, takie jak wpływ zmian cyrkulacji atmosferycznej i opadów na cykl życiowy pyłu wulkanicznego. Wspieranie holistycznego i interdyscyplinarnego podejścia do wpływu wulkanów na klimat ma kluczowe znaczenie dla uzyskania pełnego obrazu tego, w jaki sposób trwające zmiany klimatu mogą wpływać na środowiskowy i społeczny wpływ aktywności wulkanicznej. Zapisy erupcji wulkanów i monitorowanie wulkanów oraz modele numeryczne odgrywają rolę w pogłębianiu naszej wiedzy na temat wpływu wulkanów na klimat.

Wprowadzenie

Erupcje wulkanów kształtują krajobrazy Ziemi, budują ziemską atmosferę i są potężnymi motorami zmian środowiskowych i klimatycznych. Od dawna wiadomo, że duże erupcje wulkanów mogą wpływać na klimat, co nazywamy „wulkanicznymi skutkami klimatycznymi”, i stanowi to główny temat badań (Marshall i in., 2022 , to wydanie). Lustrzane pytanie, w jaki sposób zmiany klimatyczne wpływają na procesy wulkaniczne, które nazywamy „wpływami klimatyczno-wulkanicznymi”, również nie jest nowe. Dziesiątki lat temu wysunięto hipotezę, że aktywność wulkaniczna może być wymuszona przez deglacjację (Hall, 1982; Rampino i in., 1979 ) lub zmianę poziomu mórz (Matthews, 1968 ; Walcott, 1972 )). Jednak różne mechanizmy, za pomocą których zmiany klimatu mogą wpływać na procesy wulkaniczne, pozostają w dużej mierze niezbadane, mimo że temat ten staje się coraz bardziej istotny w obliczu szybkich zmian w systemie klimatycznym napędzanych działalnością antropogeniczną (IPCC, 2021 ). Lepsze zrozumienie tych złożonych współzależności z kolei poprawi gotowość na przyszłe kryzysy wulkaniczne i umożliwi nam ilościowe określenie, w jaki sposób sprzężenia zwrotne klimat-wulkan mogą wzmacniać lub tłumić antropogeniczne zmiany klimatu (NASEM 2017). Ten obszar badań jest również kluczem do zrozumienia, w jaki sposób zmiany klimatu wpłynęły na procesy wulkaniczne w przeszłości, a co za tym idzie, do lepszego zrozumienia historii Ziemi.

W tym artykule perspektywicznym najpierw podkreślamy postępy poczynione w ciągu ostatnich dwóch dekad w zrozumieniu wpływu wulkanów na klimat, a następnie omawiamy możliwości i wyzwania na następną dekadę. Artykuł jest zorganizowany wokół trzech szerokich kategorii procesów wulkanicznych i magmowych:

  1. 1)Procesy przederupcyjne, które mają miejsce przed erupcją materiału przez otwór wentylacyjny i są ogólnie związane ze skalami przestrzennymi, od gmachu wulkanicznego po skalę regionalną (ryc.  1 ).
  2. 2)Synerupcyjne procesy , które mają miejsce po rozpoczęciu erupcji w skali czasowej krótszej lub równej wstrzykiwaniu materiału erupcyjnego do środowiska (atmosfery, oceanu lub lodu) i są generalnie związane ze skalą przestrzenną odpowiadającą skali erupcji gmach wulkaniczny (ryc.  2 ).
  3. 3)Procesy poerupcyjne, które mają miejsce po rozpoczęciu erupcji i w skalach czasowych dłuższych niż wstrzyknięcie materiału erupcyjnego do środowiska, i są związane ze skalami przestrzennymi większymi niż skala budowli i do skali globalnej (ryc.  3 ).

Ze względu na złożoność systemów wulkanicznych niektóre omawiane przez nas procesy nie są związane wyłącznie z jedną zaproponowaną powyżej kategorią, chociaż podjęto próbę skategoryzowania procesów według ich dominującego związku. Na koniec oceniamy poziom ufności każdego omówionego mechanizmu oddziaływania wulkanu na klimat, stosując następującą klasyfikację:

  • Dobrze zrozumiane : mechanizmy są dobrze zdefiniowane i poparte solidnymi dowodami.
  • Postawiono hipotezę : pojawiają się dowody na mechanizm, ale potrzebne są dalsze badania.
  • Niepewny : nie wiemy jeszcze, w jaki sposób zmiana klimatu wpłynęłaby na ten proces lub wpływ ten w dużym stopniu zależy od rozważanego systemu wulkanicznego.

Ze względu na pojawiający się charakter pola wpływu wulkanów na klimat, te jakościowe poziomy pewności opierają się raczej na naszym własnym osądzie niż na analizie ilościowej. Podajemy je w nawiasach kwadratowych i kursywą po każdym omówionym mechanizmie.

Postępy poczynione w badaniu wpływu wulkanów na klimat w ciągu ostatnich dwóch dekad

Oddziaływania klimatyczno-wulkaniczne na procesy przederupcyjne

Rysunek  1 przedstawia przegląd wpływów klimatu i wulkanów, które wpływają na procesy przederupcyjne. Zmiany w rozkładzie obciążeń na powierzchni Ziemi mogą być spowodowane topnieniem pokrywy lodowej, osadami i erozją, zmianami intensywności opadów, magazynowaniem wód powierzchniowych i/lub zmianami poziomu mórz. Takie zmiany modyfikują stan naprężeń w leżącej poniżej skorupie i potencjalnie w górnym płaszczu — w tym ciśnienie, naprężenia dewiatoryczne i orientację naprężeń — i mogą w ten sposób wpływać na produkcję, transport i erupcję magmy (np. Mason i in. 2004 ; Sigmundsson i in., 2013 ; Watt i in., 2013 ).

Ryc. 1
rysunek 1

Schematy ilustrujące wpływ wulkanu na klimat związany z procesami przederupcyjnymi ( sekcja „ Wpływ klimatu na wulkan wpływający na procesy przederupcyjne ”) oraz oczekiwany ich rozwój w kontekście ocieplenia klimatu

Skutki wyładunku lodu są kontrolowane przez zasięg przestrzenny i grubość lodu, wielkość utraty lodu i grubość litosfery, moderowane przez reologię skorupy i płaszcza (Jull i McKenzie, 1996 ). Szacuje się, że na Islandii tempo erupcji wulkanów po deglacjacji wzrosło nawet 30–50 razy w stosunku do dnia dzisiejszego (np. Maclennan i in., 2002 ; Sinton i in., 2005 ; Swindles i in., 2017; ale patrz dyskusja w Hartley i in., 2016 ), co można przypisać tymczasowo wzmocnionemu topnieniu dekompresji płaszcza spowodowanemu rozładowaniem lodu. Zostało to wykazane za pomocą modelowania termomechanicznego (np. Jull i McKenzie, 1996 ; Schmidt i in., 2013; Rees Jones i Rudge, 2020 ) [dobrze zrozumiane] , a porównywalne trendy napędzane deglacjacją po maksimum ostatniego zlodowacenia zostały zidentyfikowane w regionalnych i globalnych zapisach erupcji (np. Nowell i in., 2006 ; Huybers i Langmuir, 2009 ; Lin i in . ., 2022 ) [dobrze zrozumiane] . Przewidywane tempo dekompresji izostatycznej regulacji lodowców można oszacować jako funkcję głębokości w regionie topnienia, co pozwala na oszacowanie tempa produkcji stopu w wyniku deglacjacji, która obecnie oczekuje się, że będzie tego samego rzędu wielkości, co produkcja topnienia tektonicznego w Islandii ( Sigmundsson i wsp. 2013 ; Schmidt i wsp. 2013). Zjawisko to może być mniej wyraźne w przypadku grubszej litosfery i reżimów topnienia strumienia systemów łukowych (Watt i in., 2013 ), ale istnieją dowody na to, że wulkany łukowe wykazują tymczasowy polodowcowy wzrost tempa erupcji i erupcję bardziej rozwiniętej magmy ( Rawson i in., 2016 ). Może to być spowodowane reżimami stresu skorupy ziemskiej, które sprzyjają magazynowaniu magmy podczas zlodowacenia, a następnie zwiększonemu wynurzaniu się po cofnięciu się lodu (Watt i in., 2013 ; por. Jellinek i in., 2004 ). Potwierdzają to modele mechaniczne charakteryzujące wpływ zmian naprężeń związanych z lodem na transport magmy w kierunku powierzchni (Michaut i Pinel, 2018 ) [dobrze zrozumiane]oraz stabilność stref magazynowania magmy w skorupie ziemskiej (Sigmundsson i in., 2010 , 2013 ) [dobrze poznane] . Jako odpowiednik cofania się lodu, podnoszenie się poziomu mórz (Fasullo i Nerem, 2018 ) może również zmniejszać tempo topnienia płaszcza i odgazowywanie węgla na grzbietach śródoceanicznych w lodowcowych skalach czasowych (Crowley i in., 2015 ; Tołstoj, 2015 ; Boulahanis i in . ., 2020 ) [hipoteza] . Mówiąc bardziej ogólnie, zapisy erupcji wykazują okresowość zgodną z cyklami klimatycznymi w skali orbitalnej (Schindlbeck i in., 2018), wspierając relacje między hydrosferycznym rozkładem masy a magmatyzmem. W skali poszczególnych budowli cofanie się lodu i zmiany poziomu morza mogą wpływać na stabilność flanki (Quidelleur i in., 2008 ; Coussens i in., 2016 ) [hipoteza] , migracja magmy (Hooper i in., 2011 ; Michaut i in. 2020 ) [hipoteza] i erupcji magmy (Satow et al., 2021 ) poprzez zmianę ciśnienia na dnie oceanu i warunków naprężeń skorupy ziemskiej [hipoteza]. Mówiąc bardziej ogólnie, rozkład obciążenia powierzchniowego wpływa na równowagę między magazynowaniem magmy w skorupie ziemskiej a jej wznoszeniem się, ale kierunek tych zmian jest silnie zależny od rozmiaru, głębokości i kształtu strefy składowania, a także od ściśliwości magmy i reologii litosfery (Albino i in., 2010 ). ; Sigmundsson i in., 2013 ) [niepewne] .

Przewiduje się również, że dalsze globalne ocieplenie spowoduje regionalny i globalny wzrost ekstremalnych opadów deszczu w następnym stuleciu (Fischer i in. 2014 ; Pfahl i in. 2017 ). Ekstremalne opady zostały powiązane z indukowaną aktywnością wulkaniczną w wielu studiach przypadków (np. McKee i in., 1981 ; Barclay i in., 2006 ; Matthews i in., 2002 , 2009 ). Teoretyczne mechanizmy działają od minut do tysiącleci, w tym procesy płytkie (np. interakcje paliwo-chłodziwo: Elsworth i in., 2004 ; Simmons i in., 2004 ; Taron i in., 2007 ) [ dobrze poznane] związane z objętościową ekspansją substancji lotnych i eksplozjami wywołanymi parą wodną, ​​z podwyższeniem ciśnienia i osłabieniem ułatwionym przez skurcz termiczny (Mastin, 1994 ; Elsworth i in. 2004 ; Yamasato i in., 1998 ) [ dobrze zrozumiane ]. Zapadaniu się zboczy może sprzyjać erozja wywołana opadami atmosferycznymi, osłabienie płaszczyzny zniszczenia i zmiany hydrotermalne (np. Kerle i in. 2003 ; Capra, 2006 ; Tost i Cronin, 2016 ; Romero i in., 2021 ) [ dobrze zrozumiane ]. Zauważamy, że niestabilność zbocza można postrzegać jako proces przed-, syn- lub po-erupcyjny (ryc.  2). Podpowierzchniowa infiltracja wody meteorytowej może sprzyjać głębokiej pierwotnej aktywności wulkanicznej poprzez zmiany naprężeń nadkładu, uszkodzenia mechaniczne ściany komory magmowej i generowanie ścieżek magmy w całym budynku pod wpływem ciśnienia porowego (np. Violette i in. 2001 ; Albino i in. , 2018 ; Farquharson i Amelung, 2020 ; Heap i in., 2021 ) [ hipoteza ].

Oddziaływania klimat-wulkan na procesy synerupcyjne

Rysunek  2 przedstawia przegląd wpływów klimatu i wulkanów, które wpływają na procesy synerupcyjne. Wysokość, na której kolumny wulkaniczne wprowadzają popiół i gaz do atmosfery, reguluje zagrożenia związane z popiołem (Harvey i in., 2018 ) oraz wpływ aerozolu siarczanowego na klimat (Marshall i in., 2019 ). W przypadku erupcji tropikalnych przewidywany wzrost rozwarstwienia troposferycznego i wysokości tropopauzy może zmniejszyć wysokość chmur wulkanicznych w troposferze i zastrzyków wulkanicznych w stratosferze, ale zmniejszenie stratyfikacji stratosferycznej może zwiększyć wysokość chmur wulkanicznych w stratosferze (Aubry i in., 2016 ; 2019 ) [hipoteza ]. Zmiany prędkości wiatru będą miały większy wpływ na pozatropikalne smugi wulkaniczne w porównaniu z tropikalnymi (Aubry i in., 2016 ) [hipoteza] .

Ryc. 2
Rysunek 2

Schematy ilustrujące wpływ klimatyczno-wulkanowy związany z procesami przederupcyjnymi ( sekcja „ Wpływ klimatyczno-wulkaniczny na procesy przederupcyjne ”) oraz oczekiwany ich rozwój w kontekście ocieplającego się klimatu. To samo co na ryc.  1 , ale dla wpływów klimatu i wulkanów wpływających na procesy synerupcyjne

Zmiany w powierzchniowym rozmieszczeniu wody i lodu mogą również zmieniać procesy synerupcyjne i cykl życia SO 2 w kolumnie wulkanicznej i chmurze poprzez bezpośrednie oddziaływanie magmy i wody (tj. hydrowulkanizm) [postawiono hipotezę] . Ciśnienie hydrostatyczne z leżącej powyżej wody i lodu może tłumić zachowania wybuchowe i napędzać przejścia w kierunku erupcji wylewnych (Cas i Simmons, 2018 ) [dobrze zrozumiane] . Włączenie wody do kolumn erupcyjnych zmienia wysokość pióropusza, powoduje zapadanie się kolumny i zwiększa ilość drobnego popiołu i wody wtryskiwanej do atmosfery wraz z SO 2 (Koyaguchi i Woods, 1996 ; Mastin 2007 ; Van Eaton i in., 2012; Rowell i in., w druku). Z kolei zwiększenie zawartości drobnego popiołu i wody sprzyja wymywanie SO 2 przez popiół (Ayris i in., 2013 ; Schmauss i Keppler, 2014 ), modyfikuje cykl życia aerozoli siarczanowych (LeGrande i in., 2016 ; Zhu et al., 2020 ) i bezpośrednio wpływa na klimat poprzez ładowanie pary wodnej w stratosferze (Forster i Shine, 2002; Joshi i Jones, 2009 ). Pomimo obserwacji z niespotykaną szczegółowością procesów hydrowulkanicznych z ostatnich erupcji (np. Magnusson i in., 2012; Prata i in., 2017 ; Gouhier i Paris, 2019 ; Lopez i in., 2020), kompleksowa ocena powiązań między obserwowanymi zdarzeniami hydrowulkanicznymi a losami wulkanicznego SO 2 pozostaje do zakończenia. Erupcja Hunga Tonga-Hunga Ha’apai 2022 może pomóc w osiągnięciu znacznego postępu w tej kwestii.

Oddziaływania klimatyczno-wulkaniczne na procesy poerupcyjne

Wpływ klimatu na wulkan wpływający na procesy poerupcyjne podsumowano na ryc.  3 . Istniejące badania koncentrowały się na cyklu życia i wpływie klimatycznym aerozoli siarczanów wulkanicznych. Ze względu na obecną obfitość antropogenicznego aerozolu troposferycznego wpływ troposferycznego aerozolu wulkanicznego na wymuszanie radiacyjne jest o połowę mniejszy niż w klimatach przedindustrialnych (Schmidt i in., 2012 ) [dobrze zrozumiane] . Podkreśla to mechanizm, poprzez który zanieczyszczenie aerozolem atmosferycznym, a nie zmiana klimatu, moduluje proces wulkaniczny. Aubry i in. ( 2021a ) wykazali, że trwająca zmiana klimatu może prowadzić do wzmocnienia radiacyjnego wymuszania stratosferycznych aerozoli siarczanowych z erupcji tropikalnych o dużej wielkości [hipoteza]. Jest to konsekwencją wzrostu wysokości pióropusza (patrz rozdział o procesach synerupcyjnych) i przyspieszenia cyrkulacji Brewera-Dobsona, co skraca czas przebywania aerozolu w zbiorniku tropikalnym, prowadząc do mniejszej koagulacji i mniejszych cząstek aerozolu, które skuteczniej rozpraszają światło słoneczne . Fasullo i in. ( 2017 ) wykazali również, że reakcja ochłodzenia powierzchni na erupcje tropikalne jest wzmocniona w cieplejszym klimacie z powodu silniejszego rozwarstwienia oceanu i zmniejszonej penetracji ochłodzenia wulkanicznego w oceanie, co z kolei wzmaga ochładzanie atmosfery na powierzchni [hipoteza] . Hopcroft i in. ( 2018) wykazały, że zwiększone zanieczyszczenia antropogeniczne spowodowały wzrost albedo troposferycznego i spadek efektywnego wymuszania radiacyjnego ze stratosferycznych aerozoli siarczanów wulkanicznych [hipoteza] . Wreszcie, zarządzanie promieniowaniem słonecznym poprzez wstrzykiwanie aerozolu do stratosfery – jedna z najczęściej dyskutowanych strategii geoinżynieryjnych (Kravitz i in., 2015 ) – może powodować bezpośrednią kondensację aerozoli wulkanicznych na wcześniej istniejących cząstkach uzyskanych dzięki geoinżynierii, co skutkuje większymi cząstkami aerozolu i z kolei zmniejszone i szybciej zanikające wymuszanie radiacyjne (Laakso i in., 2016 ) [dobrze zrozumiane] .

Ryc. 3
rysunek 3

Schematy ilustrujące wpływ klimatyczno-wulkanowy związany z procesami przederupcyjnymi ( sekcja „ Wpływ klimatyczno-wulkaniczny na procesy przederupcyjne ”) oraz oczekiwany ich rozwój w kontekście ocieplającego się klimatu. To samo co na ryc.  1 , ale dla wpływu klimatu na wulkany wpływające na procesy poerupcyjne

Postęp i wyzwania na nadchodzącą dekadę

W ciągu następnej dekady ciągłe doskonalenie zarówno obserwacji klimatycznych, jak i wulkanologicznych oraz wcześniejszych zapisów przyczyni się do lepszego zrozumienia procesów, poprzez które klimat wpływa na systemy wulkaniczne, a także sposobu, w jaki wpływ klimat-wulkan rozwijał się w przeszłości. Lepsze pokrycie czasoprzestrzenne i rozdzielczość obserwacji kosmicznych opadów i masy lodowej (np. Dussaillant i in., 2019 ; Velicogna i in., 2020 ; Kidd i in., 2021) umożliwi przejście w kierunku holistycznych badań bogatych w dane, które badają wpływ wzorców opadów, marnotrawstwa lodowców i topnienia pokrywy lodowej oraz zmiany poziomu mórz na systemy wulkaniczne, od skali lokalnej do globalnej. Informacje te potencjalnie doprowadzą do aktualizacji lodowcowych modeli dostosowania izostatycznego i produktywności topnienia na obszarach wulkanicznych (Schmidt i in., 2013 ). Postęp w pomiarach gazów i aerozoli wulkanicznych przenoszonych w kosmosie i in-situ (np. Carn i in. 2018 ; Theys i in. 2019 ; Liu i in. 2020 ) pomoże również w rygorystycznym określeniu ilościowym budżetów SO 2 podczas erupcji, aby ocenić skuteczność, z jaką SO 2woda i popiół są rozpraszane do atmosfery w różnych warunkach środowiskowych (np. Sigmarsson i in., 2013 ; Legrande i in., 2016 ; Lopez i in., 2020 ). Badania eksperymentalne powinny dokładniej zbadać, w jaki sposób SO 2 oddziałuje z popiołem i hydrometeorami w przestrzeni parametrów temperatury, ciśnienia i wilgotności. Opracowywane są również bazy danych gromadzące zarówno informacje wulkanologiczne, jak i klimatyczne (np. baza danych IVESPA, Aubry et al. 2021b ), które pozwolą nam lepiej zrozumieć, na przykład, w jaki sposób warunki meteorologiczne wpływają na wzrost chmur. Poza bezpośrednimi obserwacjami poprawiają się również zapisy wulkaniczne i zapisy zastępcze dotyczące klimatu (np. Baldini i in.  2015 ; Lin i in.2022 ; Sigl i in. 2021 ; Büntgen i in. 2021 ). Lepsza rozdzielczość czasowa tych zapisów może na przykład pomóc w wyjaśnieniu mechanizmów i opóźnień czasowych związanych z wpływem zmian obciążenia lodowego lub poziomu morza na procesy magmowe. To z kolei sprzyjałoby zrozumieniu reakcji mechanizmów na zmianę klimatu i ram czasowych, w których te reakcje miałyby działać.

Konieczne będą również ulepszenia modeli numerycznych, aby lepiej zrozumieć wpływ wulkanów na klimat. Modele termomechaniczne badające wpływ zmian klimatycznych na systemy wodociągowe magmy powinny integrować złożoną reologię związaną z nową wizją trans-skorupowych systemów magmowych (Cashman i in., 2017 ). Potrzebujemy również symulacji 3D kolumn erupcyjnych w przyszłych klimatach, które uwzględniają transport fizyczny, chemię i mikrofizykę, oceniając wyniki dla pionowego rozkładu masy i chemicznego losu SO 2 , popiołu i wody. Rosnąca liczba modeli aerozolowo-chemiczno-klimatycznych może interaktywnie symulować cykl życia siarczanu wulkanicznego w aerozolu (Timmreck, 2012 ) i jego interakcję z wodą wulkaniczną (LeGrande i in., 2016 )) i popiół (Zhu i in., 2020 ). Poza samymi modelami, ciągłe doskonalenie wysokowydajnych urządzeń obliczeniowych oraz przechowywania i analizy danych ułatwi badanie wpływu wulkanów na klimat w skali czasowej stulecia i tysiącleci oraz przy użyciu zespołów wielomodelowych. Na przykład wymagane jest podejście oparte na wielu modelach, aby ocenić, czy obecnie hipotetyczny wpływ zmiany klimatu na wymuszanie aerozolu wulkanicznego (Aubry i in., 2021a ) oraz wpływ klimatyczny (Fasullo i in. 2017 ; Hopcroft i in. 2018 ) są solidne. Projekt Model Intercomparison dotyczący odpowiedzi klimatycznej na wymuszanie wulkaniczne (VolMIP, Zanchettin i in., 2016) już zaczął to badać, ale nie uwzględnia jeszcze interakcji związanych z dynamiką pióropusza oraz mikrofizyką i chemią aerozolu.

Niezależnie od ulepszeń w obserwacjach i modelach, niektóre wywołane klimatem zmiany w procesach wulkanicznych mogą być subtelne w porównaniu z niepewnością obserwacyjną oraz zmiennością stylu i warunków erupcji. Niski wskaźnik nawrotów dużych erupcji wybuchowych (np. 50–100 lat dla Volcanic Explosivity Index 6, Newhall et al., 2018 ) oznacza również, że w okresie obserwacji wystąpiło tylko kilka erupcji o dużej magnitudzie, co czyni go jeszcze trudniejszym wspieranie opartych na modelach hipotez dotyczących wpływu wulkanów klimatycznych na dowody obserwacyjne. Metodologie stosowane do przypisywania zdarzeń ekstremalnych w nauce o klimacie (Otto, 2017 ) można zbadać, aby sprawdzić, czy istnieje wykrywalny wpływ zmiany klimatu na przyszłe erupcje.

Wreszcie szereg potencjalnych, ale krytycznych skutków klimatycznych wulkanów pozostaje niezbadanych, takich jak wpływ zmiany klimatu na procesy związane z przepływami lawy, gazami niesiarkowymi (np. halogenami) lub popiołem. Kwestia popiołu jest szczególnie motywowana implikacjami dla zarządzania zagrożeniami oraz faktem, że obecne wzorce cyrkulacji atmosferycznej nie mogą wyjaśniać przestrzennego rozmieszczenia złóż tefry podczas plioceńskich i plejstoceńskich okresów lodowcowych (Sigurdsson i in., 1990; Lacasse, 2001; Lacasse i van den Bogaard, 2002). Dominujące wzorce transportu chmur pyłu wulkanicznego i czas ich przebywania w atmosferze mogą zostać zmienione przez przyszłe zmiany w cyrkulacji atmosferycznej i opadach atmosferycznych. Wspomniane wcześniej (patrz rozdział dotyczący procesów synerupcyjnych) wywołane klimatem zmiany wysokości pióropuszy (Aubry i in., 2016 ) i rozkładu wielkości ziaren (Osman i in., 2020 ) również wpłynęłyby na wzorce dyspersji. Lahary i powietrzna remobilizacja osadów wulkanicznych są również zależne od ekstremalnych i sezonowych opadów (np. Kataoka i in., 2018 ; Paguican i in., 2009 ; Jarvis i in., 2020 ) i mogą mieć na nie wpływ zmiany klimatu.

Uwagi końcowe

Niedawno opublikowany wkład Grupy Roboczej I do Szóstego Raportu Oceniającego Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC) stwierdza, że ​​w zależności od ilości emisji gazów cieplarnianych, globalna temperatura powierzchni najprawdopodobniej wzrośnie o 1,0 °C do 5,7 °C C do 2100 r. w porównaniu z latami 1850–1900 (IPCC, 2021 ), a ocieplenie, które popełniono, może sięgać nawet 2,0°C (Zhou et al. 2021). Raport IPCC podkreśla również, że wraz z każdym wzrostem globalnego ocieplenia, zmiany czynników klimatycznych, które bezpośrednio wpływają na procesy wulkaniczne, stają się coraz większe. Obejmuje to topnienie pokrywy lodowej, podnoszenie się poziomu mórz, przyspieszenie cyrkulacji Brewera-Dobsona lub częstsze i intensywniejsze ekstremalne opady. Takie prognozy podkreślają pilną potrzebę przyspieszenia badań nad wpływem klimatu na wulkany, które do tej pory pozostają stosunkowo niszowym tematem. Kluczowe znaczenie ma ilościowe określenie zakresu wpływu zmian klimatu na procesy magmowe i wulkaniczne oraz przestrzennej i czasowej skali tych skutków. To z kolei umożliwi lepsze przygotowanie się na potencjalne skutki oddziaływania wulkanów klimatycznych, w tym nasilające się zagrożenia wulkaniczne, skutki społeczne i gospodarcze,

Dostępność danych

Nie dotyczy.

Dostępność kodu

Nie dotyczy.

Bibliografia

Pobierz referencje

Podziękowanie

Serdecznie dziękujemy Alanowi Robockowi i Michelle Parks za ich opinie, które pomogły ulepszyć nasz manuskrypt, a także Claire Witham i Lauren Marshall za ich wnikliwe komentarze dotyczące wczesnej wersji tego artykułu.

Finansowanie

TJA docenia wsparcie z unijnego programu badań i innowacji „Horyzont 2020” w ramach umowy o grant „Marie Skłodowska-Curie” nr 835939 oraz z Sidney Sussex College poprzez Junior Research Fellowship. CRR został sfinansowany przez grant Discovery Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) dla AM Jellinek. POH jest wspierany przez Birmingham Fellowship. DMP jest wspierany przez brytyjską Radę ds. Badań nad Środowiskiem Naturalnym (NERC) Centrum Obserwacji i Modelowania Trzęsień Ziemi, Wulkanów i Tektoniki (COMET). Firma AS była finansowana z dotacji NERC NE/S000887/1 (VOL-CLIM) i NE/S00436X/1 (V-PLUS). Wysiłki J. Fasullo zostały wsparte Nagrodą NASA 80NSSC17K0565, Nagrodą NSF #AGS-1419571,

Informacje o autorze

Autorzy i afiliacje

Składki

Konceptualizacja: TJA z wkładem wszystkich autorów.

Ryciny: JIF z danymi wejściowymi wszystkich autorów.

Pisanie: Wszyscy autorzy.

Autor korespondujący

Korespondencja do Thomasa J. Aubry’ego .

Deklaracje etyczne

Dodatkowe deklaracje dla artykułów w czasopismach nauk przyrodniczych, które przedstawiają wyniki badań z udziałem ludzi i/lub zwierząt

Nie dotyczy.

Zgoda etyczna

Nie dotyczy.

Zgoda na udział

Nie dotyczy.

Zgoda na publikację

Nie dotyczy.

Konkurujące interesy

Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów.

Dodatkowe informacje

Odpowiedzialność redakcyjna: F. Sigmundsson

Wpływ zmian klimatu na procesy wulkaniczne: obecne zrozumienie i przyszłe wyzwania

  • 4106 Dostępy

  • cytaty

  • 48 Altmetryczny

  • Metryka

Artykuł ten stanowi część kolekcji tematycznej: Patrząc wstecz i do przodu w wulkanologii: zbiór perspektyw na trajektorii nauki

Prawa i uprawnienia

Otwarty dostęp Ten artykuł jest objęty licencją Creative Commons Attribution 4.0 International License, która zezwala na używanie, dzielenie się, adaptację, dystrybucję i powielanie na dowolnym nośniku lub w dowolnym formacie, pod warunkiem, że podasz odpowiednie oznaczenie oryginalnego autora (autorów) i źródła, podać link do licencji Creative Commons i wskazać, czy dokonano zmian. Obrazy lub inne materiały osób trzecich zawarte w tym artykule są objęte licencją Creative Commons, chyba że zaznaczono inaczej w informacji o autorze materiału. Jeśli materiał nie jest objęty licencją Creative Commons, a zamierzone użycie jest niezgodne z przepisami prawa lub wykracza poza dozwolone użycie, musisz uzyskać pozwolenie bezpośrednio od właściciela praw autorskich. Aby zobaczyć kopię tej licencji, odwiedźhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Obraz wyróżniający: Erupcja wulkanu Hunga Tonga – Hunga Ha’apai uchwycona 30 grudnia 2021 r. Z Wikimedia Commons, repozytorium wolnych multimediów

https://youtu.be/QgEQq86Xjjs