Virtus.hu: Vulkanizmus légköri hatásai

Vulkanizmus légköri hatásai

Ediacara - 2008.03.17 22:52

Miként befolyásolja a Föld légkörét hosszabb-rövidebb időre egy vulkánkitörés? Milyen jelenségeket hozhat létre? Miként hat az időjárásunkra?

A vulkánkitörések számos olyan hatása van Földünkre, amelyet jól ismerünk. Részint gyarapíthatják a szárazulatok területét a tengerbe folyó láva megszilárdulásával, új szigetek létrejöttével, részint csökkenthetik is, ha például egy vulkáni sziget felrobban. A szárazföldek belsejében is átalakítják a tájat, valamint kiváló termőtalajt biztosítanak az ember termesztette növények számára. Van azonban olyan hatásuk is, amely az egész bolygón, de legalábbis nagy területeken érezteti befolyását életünkre. A légkörbe jutó vulkáni eredetű anyagok időjárást s így a mi életünket is befolyásoló hatásairól lenne szó.

Egy vulkánkitörés során kétféle, jelen szempontból lényeges anyag jut a légkörbe- vulkáni hamu- kén-dioxid
(Jut más is, de számunkra jelen esetben nincs szerepe; pl. CO2-ból vulkáni úton évente mintegy 110 millió tonna, az emberi hatásra a légkörbe kerülő pedig egy nagyságrenddel nagyobb mennyiség. Ezen kívül klór, fluor, stb is kerül a légkörbe, amelynek aztán az ózónréteg bontásában van szerepe, de ez is elhanyagolható az emberi tevékenység során felkerült mennyiséghez képest.)

1991. június 12. a fülöp-szigeteki Pinatubo vulkán kitörése.

Fotó: Richard P. Hoblitt, USGS.

*

Kezdjük a vulkáni hamuval. Helytelen kifejezés a hamu, mivel nem égéstermékről van szó, bár küllemében valóban úgy néz ki: igen apró szemcsés szürke anyag. Vulkáni hamunak azt a 2 mm-nél kisebb szemcseméretű szilárd anyagot nevezzük, ami egy kitörés során a levegőbe jut. Részben a kitörés során a gázok által szétvetett olvadt kőzetanyagból, részint a vulkán esetleges nagyobb robbanása során a kráter szilárd kőzetanyagának felaprózódott darabjaiból áll. Elsődlegesen helyi hatása van, tehát a vulkánkitörés körzetében hullik ki a levegőbe jutott hamu, s mivel a hamu nehéz, sok kárt tehet a környezetben: növényzetben, építményekben. (Ez a téma külön cikket érdemel...) A jónéhány kilométer magasságba jutó hamu veszélyezteti a légiforgalmat, mivel a repülők hajtóműveibe jutva leállíthatja azokat, így vulkanikus térségekben a légiirányítás állandó információkkal rendelkezik a környék vulkánjainak aktivitásáról, hogy alkalmasint eltereljék a forgalmat. A hamu egy része feljuthat még magasabbra is, főként igazán nagy kitörések alkalmával.

Vulkáni hamu mikroszkóp alatt, 400x nagyításban

*

Elsősorban rövid távú hatásai vannak, mivel néhány hét (maximum egy-két hónap) alatt kiürül a légkörből még a magasabbra jutott hamu is. (A Krakatau 1883-s kitörésekor kb. 2500 kilométerre a kitörés helyszínétől is tapasztaltak hamuhullást, ez igen extrém eset.)

Hamunál jóval könnyebb gázok sokkal nagyobb magasságokba juthatnak, átlagosan 15-25 km magasságba, de a nagyobb magasság is lehetséges.
Lényeges és hosszú távú (nagy kitörések esetében évek során át tartó) hatása a kén-dioxidnak van. A kitörések anyag néhány hét alatt körbeutazza a Földet a légköri széljárások függvényében. Attól föggően, hogy a kitörő vulkán milyen táján van bolygónknak, az adott övezet szelei és magaslégköri szelei határozzák meg, merre juthat el, s milyen gyorsan képes elterjedni a légkör magasabb rétegeiben. A passzátszelek övezetében lefolyt nagy kitörések igen hamar szétterjednek a bolygó légkörében, így pl. a Pinatubo 1991-es kitörése során a mintegy 25 km magasságba jutott gázok 3 hónap alatt teljesen körbeérték a Földet.

A piros színnel jelölt területen a legnagyobb a SO2 koncentrációja

*

A SO2 (millió tonnás mennyiségben) a sztratoszférába jut fel, s a vízpárával kénsavat képez. Ez aeroszolként van jelen a légkörben (hasonlóan, mint az emberi tevékenység során odakerülő egyéb szennyező anyagok) a sztratoszférában fejti ki hatását is.
A sztratoszférában lévő aeroszolok felhőképződés nélkül is szűrik a napsugárzást, a földre jutó besugárzást csökkentve ezzel a földfelszín közelében hűtő hatást fejtenek ki.
Ezen felül a sztratoszférában (12-50 km) s a mezoszférában (50-85 km) lévő anyagok nagy magasságokban leheletvékony felhőket képeznek, melyek napsugárzás hatására látható különös jelenségeket produkálnak. Ilyesmiket elsőként az írott történelem során az 1883-as Krakatau kitörést követően jegyeztek fel. A Krakatau kitörési felhője mintegy 80 km magasságba juttatta fel a vulkánból származó gázokat! A feljegyzések azért köthetőek ezen időponthoz, mert részint a tudományos kutatás erre az időre jutott a megfigyelések - akár amatőr természetbúvárok által - széles körűvé válása okán jelentősebbé, részint pedig globális érdeklődés volt a hatalmas kitörés után a vulkánok hatásait illetően, s a korábbiaknál jóval többen kezdtek e témával foglalkozni. Abban mutatkozott meg a jelenség, hogy napnyugta utáni órákban (amikor már sötét volt), megjelentek az égen úgynevezett éjszakai világító felhők. Ezek neonkékesen fénylő, fátyolfelhőre hasonlító égi jelenségek. A mezoszféra felső régiójában, a mezopauzának nevezett réteghatáron van a leghidegebb a Föld légkörében, kb. -160°C, a nyári hónapok során hűl le ennyire atmoszféránk ezen rétege. Egy nyári, igazán nagy vulkánkitörés tehát gyönyörű látvánnyal ajándékozhatja meg a légköri jelenségek szerelmeseit és kutatóit. (Akit bővebben érdekel a világító felhők témája, itt olvashat róluk .)

Éjszakai világító felhő 2007. június 29-én napnyugta után egy órával

Hazánkban tavaly nyáron többször is látható volt a korábban nem tapasztalt jelenség; saját fotó

*

E felhők azonban nem normál fátyolfelhők (cirruszok), mivel nem 8-10 ezer méteres magasságban vannak, hanem 80-85 ezer méteren. E felhők a világűrből is jól láthatóan fénylenek, a Nemzetközi Űrállomás (ISS) több ilyen témájú képet készített már.

Éjszakai világító felhő látványa a világűrből, fotó: NASA

*

Ezen felhők részben a vulkáni eredetű aeroszolnak köszönhetően jönnek létre - részben pedig az ember ipari tevékenysége által a légkörbe juttatott gázok szülik őket. Egyre gyarapodó számuk ez utóbbi feltevést támogatja, mivel nem volt mostanában akkora vulkánkitörés, amely elég jelentős szerepet játszhatna az éjszakai világító felhők egyre gyakoribb s egyre nagyobb területeken történő létrejöttében.

Gyöngyházfényű felhők az Antarktisz felett, fotó: Matt Thompson

*

A sztratoszférában is létezik hasonlóan szép jelenség, ez azonban jóval kisebb mértékű öszefüggést mutat a vulkanizmussal, ezen jelenség a sarki sztratoszférikus felhő (PSC), vagy szép magyar szóval a gyöngyházfényű felhő; ennek a létrejötte jórészt nitrogén- és klórvegyületeknek köszönhető, s bár ezek a vulkánkitörések gázaiban is jelen vannak, mennyiségük elhanyagolható az emberi tevékenység miatt légkörbe jutó adaghoz képest.

1978-tól fogva létezik az a műhold, melynek mérései kimondottam a sztratoszférában jelen lévő anyagokra és a sztratoszféra fizikai változásaira vonatkoznak. (Nagyjából ennek a műholdnak köszönhetjük az ózonlyuk felfedezését is.) Ez a műhold végzett olyan méréseket, hogy a sztratoszféra kémiai összetétele miként befolyásolja a hőmérsékletet. Korábban is voltak olyan elméletek, melyek szerint egy vulkánkitörés által a légkörbe jutott anyagok megváltoztatják a klímaviszonyokat. Elsőként Benjamin Franklin jött rá erre a dologra, mégpedig az izlandi Laki hasadékvulkán tevékenysége után tapasztalt drasztikus (északi féltekére kiterjedő) hőmérsékletcsökkenés okán. Ő akkor még azt hitte, hogy a vulkáni hamu okozta a lehűlést, ám később kiderült, hogy a SO2, nem pedig a gyorsan kiürülő hamu. Franklin után meteorológusok és geológusok nemzedékei tanulmányozták a kérdést, ám bizonyítást csak akkor nyertek az elméletek, amikor a mérőműszereket el tudtuk juttatni kellő magasságba. Az izlandi Laki kitörése 1783-ban kezdődött, több hónapon keresztül folyamatosan tartott, rendkívül nagy mennyiségű kéndioxidot juttatva a légkörbe (azonban elhelyezkedése okán nem lett teljesen globális hatású, csak az északi félteke időjárásán lehetett észlelni a lehűlést) Becslések szerint 8 millió tonna fluor (helyi viszonylatban rendkívül mérgező hatású volt, Izland lakosságának negyede - a gázmérgezés közvetlen hatása s a kitörést követő éhínség miatt -, szarvasmarha- és lóállományának fele, juhállományának 80%-a elpusztult) és 120 millió tonna kéndioxid jutott a légkörbe. A mérgező gázok (a kéndioxid) száraz ködszerű tünemény formájában Európát is elérték, Angliában is voltak közvetlen halálos áldozatai a gázoknak elsősroban a szabadban dolgozók köréből, becsült adatok szerint 23000 halottal számolhatunk, de még közép-európai feljegyzések is vannak a fojtó, nehéz, ködös levegőről, amely a Laki kitörése után jutott be a kontinens belsejébe. 1783-84 telén rendkívüli hideg volt az egész földrészen, majd hatalmas jeges áradások voltak a folyókon, 1785-ben szinte nem volt aratni való a nyugat-európai mezőkön, tovább fokozva a lakosságra nehezedő terheket, éhínséget. Egyes történészi következtetések arra hajlanak, hogy a nagy francia forradalom közvetett előidézője a Laki kitörése volt. (a hazai időjárási hatásokról Réthly Antal könyvein kívül még egy kiváló munka ) A hőmérsékleti hatásra jellemző adat, hogy az USA-ban a Mississippi egészen New Orleansig befagyott azon a télen, s még a Mexikói-öböl vizén is volt jég.

A klímára kifejtett hatás szempontjából nem mindegy az sem, hogy milyen szélességi körön fekszik az adott vulkán. A Föld légkörzésének jellemző áramlási vonalai mentén terjed ugyanis tovább a kibocsátott anyag, így egy sarkvidéki elhelyezkedésű vulkán kitörése globálisan nincs hatással az időjárásra, mivel a sarkvidék feletti légkörzés egy viszonylag kis terület felett érvényesül csak. A mérsékelt övi, vagy a trópusi öv szélein elhelyezkedő vulkán által kibocsátott anyag azonban rövid idő alatt eljuthat a Föld nagy területei fölé. A légkörzés miatt a Földet körbejáró, a légkörben terjedni képes aeroszolok globális hatással bíró eseményeket hoznak létre. Így van ez a vulkánkitörések anyagával is. Tehát egy vulkán kitörése során a légkörbe jutó SO2 nagy távolságokra jut el, s nagy szélességben terjedhet tovább. A Krakatau 1883-as nagy kitörése nyáron történt (augusztus), amikor a trópusi övben az Egyenlítőnél felemelkedő levegő a termikus Egyenlítő elhelyezkedésének moduláló hatására északra tér ki, vagyis az északi féltekét érinti jobban a mozgó aeroszol-tömeg. Ezt erősítik meg a kitörést követően megfigyelt jelenségek is. Az északi féltekén (Angliában, Németországban) említenek ekkor elsőként éjszakai világító felhőket.

William Ascroft angol festő képe 1883-ban, Londonban készült. A lángvörös naplemente mindennapos jelenség volt ezekben, a Krakatau kitörését követő hónapokban, s azt ezt észlelő Ascroft akvarellsorozatban örökítette meg a különlegességet. Művészetének ma már tudománytörténeti jelentősége van.

*

A kép a Pinatubo kitörését követően hosszú ideig látványos színeket produkáló naplementék egyikét örökítette meg Seattle városából. Fotó: Robb Harrington

*

Ekkor figyelnek meg látványosan vörös naplementéket, melyek során napnyugtát követően extrém hosszú ideig vörös marad az ég alja. Ekkor észlelik a lehűlés hatásait is. A ma Bishop-gyűrűnek nevezett légköroptikai jelenség első leírása is 1883-ból származik Hawaii-ról, Sereno Bishop nevű művelt, és természettudományos megfigyeléseket is végző misszionárius feljegyzéseiből, melyet kissé később Japánból is megerősítettek. E jelenség következtében a Nap körül nagy (kb 25 fokos sugarú) belül kékesfehér, kívül okkeres színű fénykorong látható, ugyanezen jelenség éjszakai formája a jóval gyengébb fényerejű Hold határozottan kék színűvé válása. (B ishop-gyűrűről részletesebben )

Bishop-gyűrű, a kép Németországban készült 1991-ben, szintén a Pinatubo kitörését követően. Fotó: Peter-Paul Hattinga Verschure

A kitörés optikai hatásai a lakott területek 70%-án észlelhetőek voltak!

Adott tehát egy magasba jutott aeroszol, melynek hatására változik a légkör viselkedése az átlagoshoz képest. Miként fejti ki a hatását az aeroszol? A molekulák mérete által. Az adott hullámhosszú fénysugárzás és adott méretű molekula találkozik. Ha a hullámhossz nagyobb a molekulaméretnél, akkor esélye van annak, hogy a fény a molekulával találkozva kitérjen, törjön, szóródjon. Ez a légkörben általánosan jelen lévő kisebb molekulaméret esetében azt jelenti, hogy a rövidebb hullámhossz (kék) fog szóródni. Ez okozza az égbolt kékes árnyalatát, vagyis alapesetben kéknek látjuk az eget. Amikor a vörös színek dominálnak, az a többszörös szóródás által a kék szín kiszűrése miatt adódik, illetve nagyobb molekulák jelenlétében a kék már háttérbe szorul a hosszabb hullámhosszú vörössel szemben. (Rayleigh-szórás - a szórt fény intenzitása a hullámhossz negyedik hatványával fordítottan arányos.)

A fény különböző hullámhosszainak szóródása

*

A vörös árnyalatainak erősségét az okozza tehát, hogy a légkör rétegeiben a vörös hullámhosszai jobban áthatolnak vastagabb légréteg esetén, illetve több aeroszolt tartalmazó légréteg esetében a kék nagyobb szóródása által. A Krakatau kitörése után a felső légkört kitevő gázokénál nagyobb méretű molekulák (pl. SO2) fokozott jelenléte okozta a vörös felé való hajlást. Napnyugtakor (és persze napkeltekor) a fénynek eleve hosszabb utat kell megtennie, a kék tehát kiszóródik, ezért a vöröses árnyalat. Amikor a magas légkör teszi vörössé a fényt, akkor az elhajlás miatt tovább érzékelhető a vöröses árnyalat, a fény jelenléte. (Hasonló a helyzet globális méretben, mint amikor nagy esti ködben a városi fények rózsaszín "fénybúrái" messziről látszanak az országúton a sötét tájból kiemelkedve.) A Összefoglalva: a vörös színek sokkal messzebbre látszanak a kékeknél (ezért is lett a vörös a közlekedési lámpák "tilos" jelzése) és még sokkal naplemente után is látszik a nap fénye, ha a légkörben lévő aeroszolok a Föld görbületét figyelembe véve azt tovább közvetítik. Minél magasabban lévő légköri aeroszolról van szó, annál messzebb látszik.

Miként hat azonban ez a hőmérsékletre? A magas légköri aeroszolok arányának növekedése miatti szórás fokozódása nem csak a színek változását jelenti, hanem azt is, hogy a beérkező fénynek egy része el sem jut a földre, mivel a légkörből kifelé szóródik. Emiatt némiképpen csökken a bejutó energia, azaz ez már eleve csökkenti a hőmérsékletet (mondhatjuk, hogy árnyékol az aeroszol). Azonban ezek az aeroszol részecskék nem csupán optikai hatásúak, hanem a vízpára kicsapódását kondenzmagként is elősegítő módon a felhőképződés fokozásával klimatikus hatásúak is. A több kiszűrt fény és a nagyobb százalékban képződő felhőzet már mérhető hatással bír a hőmérsékletre. Nagy vulkánkitörések után a nyári hőmérsékletek csökkenése jelenti a legfőbb hatást. Vagyis nyáron, amikor az legnagyobb lenne a besugárzás az északi féltekén, a magas rétegű vékony felhőzet már képes jelentősen csökkenteni az átlaghőmérsékletet.

Benjamin Franklin említett 1783-84-es megfigyelése után a kései utódok műszereikkel a hőmérséklet globális csökkenését már igazolni is tudták egy-egy adott nagy vulkánkitörést követően. 1815-ben az elmúlt tízezer év leghatalmasabb vulkánkitörése zajlott le az indonéziai Tambora hegyén. A történészek is felkapták a fejüket a kutatásokra, mivel feljegyzésekből ismeretes, hogy az 1816-os esztendőt a "nyár nélküli év" néven emlegetik, mivel a Tambora kitörése oly mértékben hűtötte a Földet, hogy a nyári évszak hőmérsékletei nagyban elmaradtak a szokásostól, rendkívül alacsony termést, így világszerte éhínséget okozva.

Korábbi történelmi és történelem előtti nagy kitörések hatásait a fák évgyűrűinek vizsgálatával egyértelműen ki lehet mutatni (hűvösebb években az évgyűrűk vékonyabbak, sűrűbben követik egymást - ezt például az ókori Théra szigetén volt, egész Mediterráneumot érintő hatású kitörés esetében is regisztrálták. Sokmilliós- százmilliós távlatra visszatekintve a mainál lényegesen nagyobb és hosszabban tartó vulkáni működés volt jellemző a Földre. Ezek nyoma például a dél-afriaki Karoo plató, ahol ma a nemesfémek- s a gyémánt bányászata ki is használja az egykori vulkanizmust. De ilyen az indiai Dekkán is, vagy a Colorado folyó fennsíkja (melybe a Grand Canyon mélyült), illetve a Perm végi kihalással egy időben folyt hatalmas szibériai bazaltvulkanizmus is. Ezen periódusokban jellemzően hosszú ideig tartó folyamatok során hatalmas mennyiségű láva ömlött a felszínre, az ezzel együtt járó folyamatos SO2 kibocsátással egyetemben fejtettek ki globális hatást. (Jellemző mennyiség, hogy a szibériai bazaltláva mennyisége az egész földfelszínt kb. 3 méteres rétegben borítaná el...)A Dekkán-fennsík bazaltvulkanizmusa a 65 millió évvel ezelőtti dinoszaurusz-kihalással egy időben zajlott. Valószínűsíthető, hogy a már bizonyított aszteroida-becsapódással együtt fejtett ki globális katasztrófát előidéző hatást.

Ahogy a történelmi feljegyzésekből s a jelenkor méréseiből tudjuk, bolygónk igen érzékenyen reagál a változásokra, így a vulkánkitörésekre is. Ezeket kivédeni nem tudjuk, ám a megértésük felhívja a figyelmet az esetleg ma még jelentéktelennek tűnő emberi hatások globális folyamatokba való beavatkozásaira.

Ediacara rovata (ediacara.virtus.hu)