Der Vulkan Tonga bricht aus, aber das Ausspucken von heißem Magma könnte zu einem globalen Temperaturabfall führen?

Kürzlich brach der Vulkan Hunga Tonga (20,5°S, 175,4°W) in der Tongasee aus und löste einen gewaltigen Tsunami aus.

Tonga-Vulkanausbruch auf H8-Satellitenbild

(Bildquelle: JMA)

Nach Angaben der Nachrichtenagentur Xinhua begann am Morgen des 14. Januar 2022 (Pekinger Zeit) auf der Insel Hongaha Apai, etwa 65 Kilometer nördlich von Nuku'alofa, der Hauptstadt Tongas, ein Vulkanausbruch, der am Nachmittag des 15. erneut ausbrach. Durch den Ausbruch des Vulkans gelangten große Mengen Vulkanasche, Gas und Wasserdampf in große Höhen und bildeten eine riesige Wolke, die bis zu einer Höhe von 20 Kilometern aufstieg.

Vulkanausbruch auf H8-Satellitenbild

(Bildquelle: tropicaltidibits)

Nach dem Vulkanausbruch am 14. gab das Tonga National Tsunami Warning Center eine nationale Tsunami-Warnung heraus. Das Wetteramt teilte mit, dass ganz Tonga von Tsunamis, schweren Regenfällen, Überschwemmungen und starken Winden bedroht sei. Der Ausbruch des Vulkans am 15. führte zu einem Rückfluss von Meerwasser. Die Hauptstraßen der Hauptstadt Nuku'alofa wurden überflutet und zahlreiche Gebäude überschwemmt.

Satellitenfoto des Vulkanausbruchs auf Tonga

(Fotoquelle: Kankan News)

Die enorme Kraft des Vulkanausbruchs verursachte in Teilen vieler Länder eine ungewöhnliche Bewegung des Meerwassers. Auch Fidschi, Samoa, Vanuatu, Neuseeland, Australien, Japan, die Vereinigten Staaten und Chile gaben Tsunami-Warnungen heraus.

Teil 1

Das Jahr ohne Sommer: Welcher Zusammenhang besteht zwischen Vulkanausbrüchen und Klima?

Wer glaubt, dass bei Vulkanausbrüchen nur Lava die Erde verbrennt oder dass in Küstengebieten nur Tsunamis auftreten, der irrt.

Vulkanausbrüche verursachen nicht nur enorme Verluste an Menschenleben und Eigentum unter der Bevölkerung, sie können auch nachhaltige Auswirkungen auf den Klimawandel haben, beispielsweise durch niedrigere Temperaturen im Sommer und ungewöhnlich hohe Niederschläge, und ihre Intensität ist sehr hoch.

In der Vergangenheit haben Vulkanausbrüche zu „Jahren ohne Sommer“ geführt. Der Ausbruch des Vulkans Tambora in Indonesien im Jahr 1815 führte zu schweren Klimaanomalien auf der Nordhalbkugel mit seltenen Tiefsttemperaturen und Schneestürmen im Sommer, von denen die drei Kontinente Europa, Amerika und Asien betroffen waren. Der Ausbruch des Vulkans Tambora führte außerdem in weiten Teilen meines Landes zu niedrigen Temperaturen und Ernteausfällen und war die direkte Ursache der dreijährigen Hungersnot in Yunnan.

Bei den Klimaschwankungen der letzten tausend Jahre war die vulkanische Aktivität ein wichtiger Faktor, der die Temperaturänderungen beeinflusste.

Schematische Darstellung der Auswirkungen vulkanischer Aktivität auf Temperaturschwankungen in den letzten tausend Jahren im IPCC AR4-Bericht

(Bildquelle: Referenz 2)

Der Volcanic Explosivity Index (VEI) wurde von Professor Newhall vom United States Geological Survey und Stephen Self von der University of Hawaii at Manoa vorgeschlagen. Es misst die Intensität eines Vulkanausbruchs durch qualitative Beobachtungen des Volumens der Auswurfmassen und Vulkanwolken. Je größer der Wert, desto größer ist die Intensitätsspanne des Vulkanausbruchs, desto größer ist die Energiefreisetzung und desto größer ist das Ausmaß der Schäden in der Umgebung.

Vulkanischer Explosivitätsindex und seine Eigenschaften

(Tabellenquelle: Referenz 7)

Der VEI des indonesischen Vulkans Tambora, der für das „Jahr ohne Sommer“ verantwortlich war, lag bei 7, während es Anzeichen dafür gibt, dass der VEI des Tonga-Vulkans 6 erreichen könnte. Das letzte Mal, dass ein VEI von 6 erreicht wurde, war 1991, als der Vulkan Pinatubo auf den Philippinen ausbrach und die globalen Temperaturen um 0,3 bis 0,5 Grad unter den Normalwert sanken.

Teil 2

Es handelt sich offensichtlich um heißes Magma. Warum führt es zu einer Abkühlung des Klimas?

Warum hängen Vulkanausbrüche also mit dem Klima zusammen? Studien haben gezeigt, dass der Einfluss vulkanischer Aktivitäten auf das Klimasystem hauptsächlich folgende Aspekte umfasst:

Erstens blockieren Vulkanaschepartikel die Sonnenstrahlung. Vulkanische Aktivitäten können große Mengen heißer Vulkanasche und Gase freisetzen. Die in die Atmosphäre gelangende Vulkanasche kann die Sonneneinstrahlung wirksam blockieren und so zu einem Temperaturabfall führen. Darüber hinaus sind Vulkanaschepartikel groß und schwer und verbleiben lange, im Allgemeinen 6–12 Monate, in der Atmosphäre.

Als beispielsweise im Jahr 1980 der Mount St. Helens im US-Bundesstaat Washington ausbrach, stellten Forscher anhand von Bodenwetterdaten, die an Beobachtungspunkten aufgezeichnet wurden, fest, dass die Tagestemperatur am Tag des Ausbruchs aufgrund des Einflusses der Vulkanasche um bis zu 8 °C sank.

Zweitens streuen und reflektieren Schwefelsäureaerosole die Sonnenstrahlung. Starke Vulkanausbrüche stoßen große Mengen schwefelhaltiger Gase in die Atmosphäre aus. Diese Gase bilden durch eine Reihe chemischer Reaktionen Sulfidaerosole in der unteren Stratosphäre. Gleichzeitig verändern sie auch das Gleichgewicht von SO2, CO2, H2S, CH4 und winzigen Feststoffpartikeln in der gesamten Atmosphäre und verursachen dadurch abnormale photochemische Prozesse in der Atmosphäre.

Aerosole vermischen sich mit Wasserdampf und bilden vulkanische Wolken, die die direkte Sonneneinstrahlung auf die Oberfläche deutlich reduzieren und die gestreute Sonnenstrahlung erhöhen, was zu einer Verringerung der gesamten Oberflächenstrahlung und damit zu einer Abkühlung führt. Darüber hinaus absorbieren stratosphärische Sulfidaerosolpartikel auch kurzwellige Strahlung im nahen Infrarotbereich sowie langwellige Strahlung, die von der Oberfläche und der unteren Atmosphäre abgegeben wird, wodurch sich die Stratosphäre erwärmt.

Vulkanische Wolken breiten sich zusammen mit der Luftzirkulation innerhalb von zwei bis drei Wochen rasch über den Globus aus und können sogar das globale Klima beeinflussen. Ein großer Vulkanausbruch kann zu einem Rückgang der globalen Temperatur um 0,2 bis 0,5 °C führen. Da Niederschläge in der Stratosphäre keine reinigende Wirkung haben, können vulkanische Aerosole bis zu 2–3 Jahre dort verbleiben.

Als beispielsweise 1991 der Vulkan Pinatubo auf den Philippinen ausbrach, zeigten Echtzeit-Überwachungsergebnisse von auf Satelliten installierten Instrumenten zur Messung der globalen Ozonkonzentration, dass mehr als 20×10^12 g (Tg) gasförmiges Schwefeldioxid und Vulkanasche in die Stratosphäre befördert wurden. Nach einer Reihe von Reaktionen produzierten diese vulkanischen Materialien schließlich etwa 30×10^12g H2SO4/H2O-Aerosol. Aerosole beeinflussten das Klima noch bis zu zwei Jahre nach dem Ausbruch.

Drittens können durch Vulkanausbrüche erzeugte Aerosole die chemischen Reaktionen des Ozons in der Stratosphäre beeinflussen. Die Produktion und der Abbau von stratosphärischem Ozon wirken sich auf den Fluss der stratosphärischen ultravioletten Strahlung aus. Aerosole aus Vulkanausbrüchen können nicht nur die Temperatur in der Stratosphäre beeinflussen, sondern bieten auch mehr Aerosoloberflächen als Reaktionsorte für Ozon. Dadurch verändern sie die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen, verringern die Ozonkonzentration in der Stratosphäre, reduzieren die Absorption ultravioletter Strahlung und reduzieren die Strahlungserwärmung am unteren Ende der Stratosphäre. Aufgrund der Absorption anderer Bänder und langwelliger Bodenstrahlung durch Aerosole bei Vulkanausbrüchen wird die Gesamttemperatur der Stratosphäre jedoch dennoch ansteigen.

Viertens wirken sich Vulkanausbrüche auch auf das Klima aus, indem sie das lokale Luftzirkulationssystem beeinträchtigen. Nachdem Sie von einigen tatsächlichen Ereignissen erfahren haben, haben Sie möglicherweise festgestellt, dass intensivere Vulkanausbrüche im Sommer normalerweise zu einer Abkühlung führen. Doch im Winter steigen oder fallen die Temperaturen in weiten Teilen Nordamerikas und Eurasiens, und das Ausmaß der Veränderungen hängt vom Ort des Ausbruchs ab.

Zwei Vulkanausbrüche in den Tropen in den letzten Jahrzehnten führten in den Jahren ihrer Ausbrüche zu höheren Wintertemperaturen in Teilen Nordamerikas und Europas. In diesem Szenario verbleiben Tiefdruckgebiete und kalte Luft über längere Zeit in hohen Breitengraden, was zu einer stärkeren Westzirkulation führt, die mehr warme und feuchte Meeresluft ins Land trägt und so in den betroffenen Gebieten zu höheren Wintertemperaturen führt.

Schematische Darstellung der Auswirkungen von Vulkanausbrüchen auf das Klima

(Bildquelle: Referenz 2)

Das Klima meines Landes wird auch erheblich durch starke Vulkanausbrüche beeinflusst und viele jährliche Klimaanomalien stehen in engem Zusammenhang mit starken Vulkanausbrüchen. Nach dem Ausbruch des Vulkans Pinatubo auf den Philippinen im Jahr 1991 kam es in China beispielsweise im Sommer und Herbst 1992 zu einer ausgedehnten Kälteperiode, und die Region von Nordostchina bis zur Inneren Mongolei und dem Unterlauf des Jangtsekiang erlitt unterschiedlich starke Kälteschäden.

Was den Trend der Temperaturänderungen in meinem Land nach starken Vulkanausbrüchen betrifft, haben einschlägige Studien gezeigt, dass in den 1–2 Jahren nach einem starken Vulkanausbruch die Temperatur in meinem Land grundsätzlich sinkt, es jedoch erhebliche regionale und saisonale Unterschiede hinsichtlich der Intensität der Abkühlung gibt. Die Gebiete in meinem Land mit deutlichen Temperaturschwankungen im Winterhalbjahr konzentrieren sich hauptsächlich auf Qinghai-Tibet sowie die östlichen und zentralen Regionen, gefolgt von der südöstlichen Region und schließlich den nordwestlichen und nordöstlichen Regionen.

Die Auswirkungen starker Vulkanausbrüche in verschiedenen Breitengraden und Jahreszeiten auf regionale Temperaturunterschiede in meinem Land während der Winterhälfte des Jahres

(Bildquelle: Referenz 3)

In meinem Land sind die von Vulkanausbrüchen betroffenen Gebiete im Sommerhalbjahr kleiner als im Winterhalbjahr. Sie konzentrieren sich hauptsächlich auf die Regionen Qinghai-Tibet und Nordostchina und in den einzelnen Regionen gibt es deutliche Unterschiede hinsichtlich der Temperaturerhöhungen und -senkungen.

Der Einfluss starker Vulkanausbrüche in verschiedenen Breitengraden und Jahreszeiten auf regionale Temperaturunterschiede in meinem Land während des Sommerhalbjahres

(Bildquelle: Referenz 3)

Teil 3

Baumringe und Eisbohrkerne: Sima Qian aus der Natur

Wie kann der Mensch neben der Satellitenüberwachung noch etwas über die vulkanische Aktivität erfahren? Tatsächlich weiß die Natur alles. Die Auswirkungen vulkanischer Aktivitäten auf Temperatur, Niederschlag usw. werden in Datenträgern wie Baumringen, Korallen und Stalagmiten aufgezeichnet und liefern den Wissenschaftlern Referenzdaten für die Untersuchung der Auswirkungen von Vulkanausbrüchen auf das Klima.

Mit ihrer hohen Auflösung, der großen Anzahl an Kopien, der genauen Datierung und der weiten Verbreitung sind Baumringe eine wichtige Hilfe bei der Bestimmung des Zeitpunkts historischer starker Vulkanausbrüche und bei der Untersuchung ihrer Auswirkungen auf den Klimawandel. Bereits in den 1930er Jahren begannen amerikanische Forscher, Daten aus Baumringen zur Datierung vulkanischer Ereignisse zu verwenden. Durch einen Vergleich der Beziehung zwischen Frostringen von Bäumen im Westen der USA während der letzten 5.000 Jahre und meteorologischen Ereignissen sowie größeren vulkanischen Aktivitäten gelangten die Forscher zu der Annahme, dass starke Vulkanausbrüche einer der Faktoren für die Entstehung von Frostringen waren.

Jahresringe auf einem Querschnitt eines Baumstammes

(Bildquelle: Wikipedia)

Andere Studien haben gezeigt, dass die durch Vulkanausbrüche verursachten niedrigen Sommertemperaturen ein wichtiger Faktor bei der Bildung flacher Baumringe sind. So fielen beispielsweise zwischen 1398 und 1982 in 66 % der Jahre, in denen im Norden von Quebec (Kanada) flache Ringe auftraten, die Zeit vulkanischer Eruptionsaktivitäten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass charakteristische Jahresringe in Bäumen unter bestimmten Bedingungen als direkter Beweis für die Bestimmung des Zeitpunkts von Vulkanausbrüchen dienen können.

Neben Bäumen ist auch Eis ein hervorragender Aufzeichnungsstoff. Materialien aus Vulkanausbrüchen oder sekundäre Aerosole können durch die Luftzirkulation zu den Polkappen und Gletscherregionen in den Bergen transportiert und im Eis konserviert werden. Im Vergleich zu anderen Medien bieten Eisbohrkerne bei der Untersuchung vulkanischer Aktivitäten unvergleichliche Vorteile, da sie eine hohe Auflösung, lange Zeitreihen und die Möglichkeit bieten, das Material vulkanischer Eruptionen wirklichkeitsgetreu aufzuzeichnen.

Eiskernprobe aus dem Bohrer entnommen

(Bildquelle: Wikipedia)

In den 1970er Jahren erkannten dänische Glaziologen erstmals, dass abnorme Veränderungen der Konzentration saurer Substanzen (hauptsächlich Schwefelsäure) in Eisbohrkernen auf vulkanische Aktivitäten hinweisen könnten, und nutzten erfolgreich drei grönländische Eisbohrkerne, um die Vulkangeschichte der letzten 200 Jahre zu rekonstruieren. Seitdem wurden zahlreiche Bohrkerne aus Eisschilden und Bergen der Antarktis und Grönlands verwendet, um die Geschichte der vulkanischen Sedimentation zu rekonstruieren und zu untersuchen. Forscher können einige wichtige Parameter von Vulkanausbrüchen messen, indem sie die chemische Zusammensetzung, den Partikelgehalt und andere Faktoren jeder Verwerfungsschicht im Eiskern messen.

Obwohl der Ausbruch des Vulkans Tonga bisher keine verheerenden Auswirkungen auf die chinesische Küste hatte und es bislang auch keine Berichte über chinesische Opfer gab, sind weitere Daten und Untersuchungen durch einschlägige Experten erforderlich, um die Auswirkungen dieses Vulkanausbruchs auf China und sogar das globale Klima zu ermitteln.

Quellen:

1. Nachrichtenagentur Xinhua, Peking, 16. Januar, Zusammenfassung: Tongas Unterwasservulkan brach aus und viele Länder gaben Tsunami-Warnungen heraus

2. Li Chuanjin, Ren Jiawen, Qin Dahe, Xiao Cunde, Hou Shugui, Ding Minghu. Forschungsfortschritte zum Klimaeinfluss vulkanischer Aktivitäten und ihrer Eiskernaufzeichnungen[J]. Zeitschrift für Glaziologie und Geokryologie, 2012, 34(04): 863-876.

3. Hao Zhixin, Sun Di, Zhang Xuezhen, Zheng Jingyun. Auswirkungen starker Vulkanausbrüche auf regionale Unterschiede bei Temperaturänderungen in China seit dem 20. Jahrhundert[J]. Fortschritte in der Geographie, 2016, 35(03): 331-338.

4. Li Mingqi, Shao Xuemei. Vorläufige Studie über den Zusammenhang zwischen starken Vulkanausbrüchen und Temperaturänderungen im östlichen Qinghai-Tibet-Plateau in den letzten tausend Jahren basierend auf Baumringdaten[J]. Fortschritte in den Geowissenschaften, 2016, 31(06): 634-642.

5. Chen Youping, Chen Feng, Zhang Heli, Hu Mao, Wang Shijie, Hadad Martín ARIEL, Roig Ju?ent Fidel ALEJANDRO. Zusammenhang zwischen starken Vulkanausbrüchen seit 1200 n. Chr., aufgezeichnet in Baumringen, und Klima- und hydrologischen Veränderungen in den Quellgebieten der Flüsse im südlichen Hochasien[J]. Quartärwissenschaften, 2021, 41(02): 323-333.

6. Chen Xin. Rekonstruktion der Oberflächentemperatur der nördlichen Hemisphäre im letzten Jahrtausend: Studie zur Multiskalenfusionsmethode[D]. Tsinghua-Universität, 2017.

7. Huang Ting. Studie zu holozänen Vulkanausbrüchen und den in Torfgewässern im Nordosten Chinas aufgezeichneten paläoklimatischen Reaktionen[D]. Chinesische Universität für Geowissenschaften, 2013.

8. Daily Economic News, 16. Januar: Tongas Unterwasservulkan brach aus, und am frühen Morgen des 16. wurden in den Küstengewässern Chinas Tsunamiwellen registriert.

Titelbild von: Haike News

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Xinwu Science

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

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Der Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

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