Климатические эффекты вулканической деятельности

Заметнее всего климатические эффекты извержений сказываются на изменениях приземной температуры воздуха и формировании метеорных осадков, что наиболее полно характеризуют климатообразующие процессы.

Температурный эффект. Вулканический пепел, выброшенный в атмосферу во время эксплозивных извержений, отражает солнечную радиацию, снижая температуру воздуха на поверхности Земли. В то время как пребывание мелкой пыли в атмосфере от извержения вулканского типа обычно измеряется неделями и месяцами, летучие вещества, такие как SO2, могут оставаться в верхних слоях атмосферы в течение нескольких лет. Мелкие частицы силикатной пыли и серного аэрозоля, концентрируясь в стратосфере, увеличивают оптическую толщину аэрозольного слоя, что ведет к уменьшению температуры на поверхности Земли.

В результате извержений вулканов Агунг (о-в Бали, 1963 г.) и Сент-Хеленс (США, 1980 г.) наблюдаемое максимальное понижение температуры поверхности Земли в Северном полушарии составило менее 0,1 °С. Однако для более крупных извержений, например вулкан Тамбора (Индонезия, 1815 г.), вполне возможно понижение температуры на 0,5 °С и более.

Эксплозивные извержения могут оказывать свое влияние на климат, по меньшей мере, в течение нескольких лет, а некоторые из них - вызвать гораздо более продолжительные его изменения. С этой точки зрения крупнейшие трещинные извержения также могут иметь существенный эффект, поскольку в результате этих событий огромный объем летучих веществ выбрасывается в атмосферу в течение десятилетий и более. Соответственно, некоторые пики кислотности в ледниковых кернах Гренландии сопоставимы по времени с трещинными извержениями в Исландии.

Во время крупнейших извержений, сходных с тем, что наблюдалось на вулкане Тамбора, количество солнечной радиации, проходящей через стратосферу, уменьшается примерно на четверть. Гигантские извержения, подобные тому, в результате которого образовался слой тефры (вулкан Тоба, Индонезия, около 75 тыс. л.н.), могли сокращать проникновение солнечного света до величин, составляющих менее сотой доли его нормы, что препятствует фотосинтезу. Это извержение - одно из крупнейших в плейстоцене, и выбрасываемая в стратосферу мелкая пыль, по-видимому, привела к почти всеобщей темноте на большой территории в течение недель и месяцев. Тогда, примерно за 9-14 суток было извергнуто около 1000 км3 магмы, а ареал распространения пеплового слоя превысил по крайней мере 5?106 км2.

Другая причина возможного похолодания обусловливается экранирующим воздействием аэрозолей Н2SO4 в стратосфере. Следуя, принимаем, что в современную эпоху в результате вулканической и фумарольной деятельности в атмосферу попадает примерно 14 млн. тонн серы ежегодно, при ее общей естественной эмиссии приблизительно 14.28 млн. тонн Верхняя оценка общей годовой эмиссии серы в атмосферу, при условии полного превращения всех ее оксидов в Н2SO4 (если считать эту величину неизменной за рассматриваемый интервал времени), приближается к минимальной оценке прямого поступления аэрозолей в виде серной кислоты в стратосферу вследствие извержения вулкана Тоба. Большая часть оксидов серы тут же попадает в океан, формируя сульфаты, а определенная доля серосодержащих газов выводится путем сухого поглощения или вымывается из тропосферы осадками. Поэтому очевидно, что извержение вулкана Тоба привело к многократному увеличению количества долгоживущих аэрозолей в стратосфере. Видимо, наиболее отчетливо эффект похолодания проявился в низких широтах, особенно в сопредельных. Оценки количества солнечной радиации, проникающей через стратосферный аэрозоль и / или пелену мелкой пыли, в зависимости от их массы. Точки указывают на крупные исторические и доисторические извержения.

Временные ряды кислотности для керна Crete изо льдов центральной Гренландии, охватывающие промежуток 533-1972 гг. Идентификация извержений, вероятнее всего соответствующих крупнейшим пикам кислотности, основана на исторических источниках регионах - Индии, Малайзии. На глобальную значимость этого явления указывает также «кислый» след вулкана Тоба, зарегистрированный на глубинах 1033 и 1035 м в керне скважин 3G и 4G на станции Восток в Антарктиде [19, с. 37].

Свидетельства вулканической модуляции климата в течение десятилетий получены также при исследовании древесных колец и изменений объемов горных ледников. В работе показано, что периоды заморозков в западной части США, установленные при помощи дендрохронологии на основе древесных колец, тесным образом согласуются с зафиксированными извержениями и, вероятно, могут быть связаны с пеленой вулканических аэрозолей в стратосфере в масштабах одного или двух полушарий. Л. Скудери отметил, что существует тесная взаимосвязь между различной толщиной колец на верхней границе произрастания лесов, чувствительных к изменениям температуры, профилями кислотности льдов Гренландии и наступлением горных ледников Сьерры Невады (Калифорния). Резкое снижение прироста деревьев наблюдалось в течение года, следующего после извержения (в результате которого образовалась аэрозольная пелена), а снижение прироста колец происходило в течение 13 лет после извержения.

Наиболее перспективными источниками информации о прошлых вулканических аэрозолях являются все же кислотность ледяного керна и сульфатные (кислотные) ряды - из-за того, что они содержат вещественные доказательства атмосферной загрузки химическими примесями. Поскольку льды могут быть датированы на основе их ежегодной аккумуляции, то возможно прямое соотношение пиков кислотности в верхних слоях льда с историческими извержениями известного периода. При использовании этого подхода ранние пики кислотности неизвестного происхождения также соотносятся с определенным возрастом. По-видимому, такие мощные извержения в голоцене, как неизвестные события, происходившие в 536-537 гг. и около 50 г. до н.э., или Тамбора в 1815 г., приводили к явному снижению солнечной радиации и охлаждению поверхности планеты на один-два года, что подтверждается историческими свидетельствами.

В то же время анализ температурных данных позволил предположить, что потепление в голоцене вообще и в 1920-1930-х годах в частности обусловлено понижением вулканической активности [39, с. 55].

Известно, что один из наиболее эффективных методов исследования вулканической деятельности в прошлом - это изучение кислотности и аэрозольных включений в ледяных кернах полярных ледников. Пепловые слои в них эффективно используются в качестве временных реперов при сопоставлении с результатами палеоботанических и геологических исследований. Сравнение мощности вулканических пеплопадов на разных широтах способствует уточнению циркуляционных процессов в прошлом. Отметим, что экранирующая роль аэрозоля в стратосфере проявляется значительно сильнее в том полушарии, где произошла инъекция вулканических частиц в стратосферу.

Извержение Лаки, по-видимому, в какой-то мере обусловило похолодание в конце XVIII в. в Исландии и Европе. Судя по профилям кислотности ледяных кернов в Гренландии, которые отражают вулканическую деятельность, можно отметить, что вулканическая активность в Северном полушарии в малый ледниковый период коррелирует с общим похолоданием.

Циклы. Ритм климатических изменений, происходивших в последние миллионы лет истории Земли, определяется орбитальными циклами: в зависимости от количества солнечного света ледники то растут, то отступают. На перемены отзывается вся планета — от циркуляции атмосферы и океана до экосистем и даже эрозии и переноса осадка.

Новое исследование говорит о том, что это влияет и на вулканизм. Учёные и раньше замечали подобные корреляции в течение ограниченных периодов времени и в региональных масштабах, а новая работа даёт более широкую картину.

Чтобы получить длинную летопись извержений вулканов, исследователи взялись за морские донные отложения со всего Тихоокеанского огненного кольца. В отличие от суши, там нет эрозии, уничтожающей слои пепла. Датирование слоёв производится путём сравнения их с надёжно датированными сухопутными слоями и оценки скорости, с которой осадок накапливается на морском дне. Ошибки, конечно, неизбежны, но исследователи сделали всё возможное, чтобы учесть неопределённости.

Собрав воедино данные обо всех извержениях последних миллионов лет, специалисты обнаружили циклы той же длительности, что и орбитальные. Наиболее заметно проявился цикл наклона оси продолжительностью 41 тыс. лет. Для проверки было сгенерировано 100 тыс. случайных наборов данных. Менее 1% из них дали корреляцию, соответствующую по силе фактическим данным.

Но почему? Скорее всего, дело в изменениях стресса в земной коре, вызванных ледниковыми периодами и межледниковьями. Ледовые щиты сильно давят на кору под ними, а снижение уровня моря соответствующим образом меняет самочувствие океанической коры. И наоборот. Возьмите мячик или воздушный шарик и надавите в одном месте: вы увидите, как при этом вспучивается его поверхность в другой точке. Поэтому при повышении уровня моря (и росте давления на океаническую кору) немного поднимается и континентальная кора (например, в вулканически активных областях Центральной и Южной Америки). Тем самым уменьшается верхнее давление в магматических камерах, и магме проще выбраться наружу.

Чтобы проверить гипотезу, исследователи воспользовались простой компьютерной моделью напряжённых состояний земной коры во время последнего оледенения в Центральной Америке. Корреляция извержений с рассчитанным стрессом оказалась очень красивой.

В целом пик вулканической деятельности на несколько тысяч лет отстаёт от изменений наклона оси (и климата). Это нормально для земной коры, очень медленно реагирующей на меняющиеся условия на поверхности. По крайней мере модели вели себя аналогичным образом.

Естественно, исследование не является ни глобальным, ни абсолютно полным, но представляется вероятным, что учёные получили реальную картину.

Прогноз извержений. Для прогноза извержений составляются карты вулканической опасности с показом характера и ареалов распространения продуктов прошлых извержений и ведется мониторинг предвестников извержений. К таким предвестникам относится частота слабых вулканических землетрясений; если обычно их количество не превышает 10 за одни сутки, то непосредственно перед извержением возрастает до нескольких сотен. Ведутся инструментальные наблюдения за самыми незначительными деформациями поверхности. Точность измерений вертикальных перемещений, фиксируемых, например, лазерными приборами, составляет ВУЛКАНЫ0,25 мм, горизонтальных - 6 мм, что позволяет выявлять наклон поверхности всего в 1 мм на полкилометра. Данные об изменениях высоты, расстояния и наклонов используются для выявления центра вспучивания, предшествующего извержению, или прогибания поверхности после него. Перед извержением повышаются температуры фумарол, иногда изменяется состав вулканических газов и интенсивность их выделения. Предвестниковые явления, предшествовавшие большинству достаточно полно документированных извержений, сходны между собой. Однако с уверенностью предсказать, когда именно произойдет извержение, очень трудно.

Вулканологические обсерватории. Для предупреждения возможного извержения ведутся систематические инструментальные наблюдения в специальных обсерваториях. Самая старая вулканологическая обсерватория была основана в 1841-1845 на Везувии в Италии, затем с 1912 начала действовать обсерватория на вулкане Килауэа на о.Гавайи и примерно в то же время - несколько обсерваторий в Японии. Мониторинг вулканов проводится также в США (в т.ч. на вулкане Сент-Хеленс), Индонезии в обсерватории у вулкана Мерапи на о.Ява, в Исландии, России Институтом вулканологии РАН (Камчатка), Рабауле (Папуа - Новая Гвинея), на островах Гваделупа и Мартиника в Вест-Индии, начаты программы мониторинга в Коста-Рике и Колумбии.

Методы оповещения. Предупреждать о грозящей вулканической опасности и принимать меры по уменьшению последствий должны гражданские власти, которым вулканологи предоставляют необходимую информацию. Система оповещения населения может быть звуковой (сирены) или световой (например, на шоссе у подножья вулкана Сакурадзима в Японии мигающие сигнальные огни предупреждают автомобилистов о выпадении пепла). Устанавливаются также предупреждающие приборы, которые срабатывают при повышенных концентрациях опасных вулканических газов, например сероводорода. На дорогах в опасных районах, где идет извержение, размещают дорожные заграждения. Уменьшение опасности, связанной с вулканическими извержениями. Для смягчения вулканической опасности используются как сложные инженерные сооружения, так и совсем простые способы. Например, при извержении вулкана Миякедзима в Японии в 1985 успешно применялось охлаждение фронта лавового потока морской водой. Устраивая искусственные бреши в застывшей лаве, ограничивающей потоки на склонах вулканов, удавалось изменять их направление. Для защиты от грязекаменных потоков - лахаров - применяют оградительные насыпи и дамбы, направляющие потоки в определенное русло. Для избежания возникновения лахара кратерное озеро иногда спускают с помощью тоннеля (вулкан Келуд на о.Ява в Индонезии). В некоторых районах устанавливают специальные системы слежения за грозовыми тучами, которые могли бы принести ливни и активизировать лахары. В местах выпадения продуктов извержения сооружают разнообразные навесы и безопасные убежища.

Дата добавления: 2015-10-16