การวิเคราะห์ใหม่ของเมฆเถ้าที่เกิดจากการระเบิดของภูเขาไฟขนาดใหญ่แสดงให้เห็นว่าเอฟเฟกต์ความเย็นชั่วคราวจะเปลี่ยนไปเมื่อสภาพแวดล้อมร้อนขึ้น
เมื่อวันที่ 15 มิถุนายน พ.ศ. 2534 ภูเขาไฟ Mount Pinatubo ในฟิลิปปินส์ได้ปะทุด้วยการระเบิดอย่างรุนแรงจนภูเขาไฟถล่มลงมาเอง เมฆก๊าซและเถ้าของมันขึ้นไปในอากาศประมาณ 40 กม. และในสัปดาห์ต่อมา เมฆเข้าสู่สตราโตสเฟียร์และแผ่กระจายไปทั่วโลก ในปีหน้า อุณหภูมิโลกเฉลี่ยลดลงประมาณ 0.5 องศาเซลเซียส
ภูเขาไฟเป็นช่องเปิดในเปลือกโลกที่ช่วยให้หินหลอมเหลวที่ร้อนและหลุดออกจากพื้นผิวได้ นอกจากนี้ยังช่วยให้ก๊าซและเถ้าหนีออกจากภายในที่มีอุณหภูมิสูงได้
ภูเขาไฟระเบิดมีบทบาทสำคัญในการทำให้โลกเย็นลง ก๊าซกำมะถันจากขนนกภูเขาไฟรวมกับก๊าซอื่นในชั้นบรรยากาศ และละอองลอยเหล่านี้จะกระจายรังสีดวงอาทิตย์ สะท้อนออกไปในอวกาศ แต่นักวิทยาศาสตร์กังวลว่าการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศอาจทำให้การปะทุมีประสิทธิภาพน้อยลงในการลดอุณหภูมิโลก วงจรป้อนกลับซึ่งการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศสามารถขัดขวางหรือขยายขีดความสามารถของการระเบิดของภูเขาไฟเพื่อต่อสู้กับอุณหภูมิที่สูงขึ้น ในปัจจุบันไม่รวมอยู่ในสถานการณ์สภาพอากาศในอนาคต
โครงการVOLCPROได้จัดทำขึ้นเพื่อตรวจสอบการปะทุสองประเภทที่แตกต่างกันเพื่อดูว่าความร้อนทั่วโลกจะลดผลกระทบจากการเย็นลงหรือไม่
Thomas Aubry นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ในสหราชอาณาจักรและ Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) ใน VOLCPRO สงสัยว่าการปะทุเช่น Mount Pinatubo จะมีผลเย็นแบบเดียวกันหรือไม่หากจะเกิดขึ้นในอีกร้อยปีต่อมา โลกที่อุณหภูมิสูงขึ้น – ผ่านผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ – ยังคงไม่ถูกตรวจสอบ
การปะทุความเข้มสูง
การปะทุประเภทแรก คล้ายกับภูเขาไฟปินาตูโบ เรียกว่าการปะทุแบบความเข้มสูง ประเภทนี้ปล่อยเถ้าถ่านและอนุภาคที่สูงถึง 25 กม. หรือสูงกว่าสู่ชั้นบรรยากาศ และมีก๊าซกำมะถันหลายพันล้านตัน ค่อนข้างหายาก การปะทุของประเภทที่ทรงพลังมากนี้เกิดขึ้นทุกสองสามทศวรรษ – Mount Pinatubo เป็นหนึ่งในการปะทุที่ใหญ่ที่สุดในโลกที่เคยเห็นในศตวรรษ
ประเภทที่สองมีขนาดเล็กกว่า แต่บ่อยกว่า “เราสงสัยว่าการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศจะส่งผลต่อการปะทุสองประเภทที่แตกต่างกันอย่างไร ทั้งแบบเล็กและแบบใหญ่” Aubry กล่าว
ทีมงาน VOLCPRO จำลองการปะทุในอดีตที่แสดงถึงอิทธิพลที่มีต่อสภาพอากาศ จากนั้นจึงจำลองสิ่งที่จะเกิดขึ้นหากการปะทุแบบเดียวกันนั้นเกิดขึ้นในอนาคต เมื่อสภาพอากาศเปลี่ยนแปลงและอุณหภูมิโลกร้อนขึ้น
การจำลองของพวกเขาอาศัยแบบจำลองสภาพอากาศขั้นสูงของ UK Met Office ‘ภายในนั้นโมเดล (UK Met Office) เราได้เพิ่มแบบจำลองอื่นที่สามารถจำลองการขึ้นของภูเขาไฟได้ และเสาภูเขาไฟนี้จะสูงขึ้นได้สูงเพียงใด ขึ้นอยู่กับสภาพลมในช่วงวันปะทุ หรืออุณหภูมิในบรรยากาศ ในวันนั้นเป็นต้น” ออบรีกล่าว
สำหรับการปะทุครั้งใหญ่ พวกเขาพบว่าความเย็นจะเพิ่มมากขึ้นด้วยภาวะโลกร้อน ซึ่งเป็น ‘ข่าวดี’ ออบรีกล่าว ‘ภาวะโลกร้อนมากขึ้นความเย็นจากภูเขาไฟมากขึ้น’
ในบรรยากาศที่อุ่นขึ้น การปะทุของภูเขาไฟที่มีความเข้มข้นสูงจะสูงขึ้นไปอีก ทำให้อนุภาคภูเขาไฟขนาดเล็กเดินทางต่อไปได้ หมอกควันจากละอองลอยนี้จะครอบคลุมพื้นที่ที่กว้างขึ้น สะท้อนรังสีดวงอาทิตย์มากขึ้นและขยายผลการระบายความร้อนชั่วคราวของภูเขาไฟเหล่านี้
ตรงกันข้ามกับการระเบิดของภูเขาไฟที่มีขนาดเล็กและบ่อยครั้งกว่า ในกรณีดังกล่าว อุณหภูมิที่ร้อนขึ้นขัดขวางผลเย็นจากการปะทุ
อย่างไรก็ตาม ก่อนที่พวกเขาจะผลักดันการค้นพบของพวกเขาให้รวมอยู่ในการคาดการณ์การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลกของนักวิทยาศาสตร์ Aubry ต้องการตรวจสอบภูเขาไฟอื่น ๆ และแบบจำลองอื่น ๆ เพื่อเสริมผลลัพธ์ของพวกเขา
VOLCPRO มุ่งเน้นไปที่ภูเขาไฟเขตร้อน เนื่องจากการปะทุรอบเส้นศูนย์สูตรมีแนวโน้มที่จะส่งผลกระทบต่อสภาพอากาศทั่วโลก เนื่องจากอนุภาคภูเขาไฟแพร่กระจายไปยังซีกโลกทั้งสองได้อย่างง่ายดาย นักวิจัยจะสามารถระบุได้ว่าการปะทุครั้งอื่นๆ ตอบสนองต่ออุณหภูมิที่สูงขึ้นด้วยการรวมภูเขาไฟใกล้กับขั้วโลกมากขึ้น พวกเขายังต้องการรวมโมเดลภูมิอากาศเพิ่มเติม ไม่ใช่แค่ของสหราชอาณาจักร เพื่อให้แน่ใจว่าการค้นพบของพวกเขานั้นแข็งแกร่ง
เถ้าภูเขาไฟ
ในขณะเดียวกัน Elena Maters ซึ่งเป็นอดีตสมาชิกของ MSCA ซึ่งปัจจุบันอยู่ที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ในสหราชอาณาจักร กำลังทำงานเพื่อค้นหาว่าเกิดอะไรขึ้นกับเถ้าภูเขาไฟในชั้นบรรยากาศและอิทธิพลของเถ้าถ่านส่งผลต่อการก่อตัวของเมฆและสภาพภูมิอากาศในที่สุด
เถ้าภูเขาไฟส่งเสริมการก่อตัวของน้ำแข็งในชั้นบรรยากาศ ซึ่งในที่สุดแทนที่น้ำในเมฆ เมฆเป็นหนึ่งในเครื่องหมายคำถาม ที่ใหญ่ที่สุด ในการวิจัยสภาพภูมิอากาศ และยิ่งเราเข้าใจว่าพวกมันก่อตัวและทำงานอย่างไร แบบจำลองของเราก็ยิ่งแม่นยำมากขึ้นเท่านั้น
‘สมมติฐานทั่วไปคือน้ำของเหลวจะกลายเป็นน้ำแข็งที่ต่ำกว่าศูนย์ (องศา)’ Maters อธิบาย นั่นไม่ใช่กรณีเสมอไป และละอองขนาดเล็กสามารถยังคงเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิลบ 35°C แต่อนุภาคในบรรยากาศสร้าง ‘พื้นผิวเร่งปฏิกิริยาที่ทำให้โมเลกุลของน้ำก่อตัวเป็นผลึกน้ำแข็งได้ง่ายขึ้น’
ฝุ่นแร่จากทรายที่มีต้นกำเนิดในพื้นที่ทะเลทรายทั่วโลก เช่น ทะเลทรายซาฮาราและโกบี เป็นแหล่งสำคัญของอนุภาคของแข็งในชั้นบรรยากาศ อย่างไรก็ตาม ยังมีแหล่งอื่นๆ อีกมากมาย รวมทั้งเถ้าภูเขาไฟ
โครงการINoVAพยายามที่จะกำหนดขอบเขตที่เถ้าภูเขาไฟช่วยในการสร้างน้ำแข็ง
“โดยเฉลี่ยต่อปี มีเถ้าภูเขาไฟน้อยกว่าฝุ่นแร่ประมาณ 10 เท่าในชั้นบรรยากาศ” Maters กล่าว ‘แต่คุณสามารถมีการปะทุครั้งใหญ่ที่สามารถปล่อยอนุภาคจำนวนมหาศาลได้อย่างรวดเร็วภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมงถึงวัน และสิ่งนี้ถูกละเลยในแบบจำลองสภาพภูมิอากาศจำนวนมาก และแม้แต่ในกรณีที่พิจารณาผลกระทบของภูเขาไฟ’
การก่อตัวของน้ำแข็ง
เป็นส่วนหนึ่งของ INoVA Maters และเพื่อนร่วมงานได้ตรวจสอบประสิทธิภาพของเถ้าภูเขาไฟในการส่งเสริมการก่อตัวของน้ำแข็ง พวกเขาเปรียบเทียบสิ่งนี้กับฝุ่นแร่ที่แพร่หลาย การทดสอบเพื่อดูว่าประเภทใดประสบความสำเร็จมากที่สุด
เถ้าภูเขาไฟส่วนใหญ่เป็นแก้ว โดยมีแร่ธาตุอย่างเช่น เฟลด์สปาร์และเหล็กออกไซด์ องค์ประกอบของเถ้าขึ้นอยู่กับการแต่งหน้าของแมกมาที่เกาะอยู่ด้านล่าง และความเร็วที่มันพุ่งออกมาจากภูเขาไฟอย่างระเบิด
การศึกษาก่อนหน้านี้เปรียบเทียบเถ้าเพียงไม่กี่ชนิด Maters ซึ่งการวิจัยมุ่งเน้นไปที่ปฏิกิริยาและเคมีของเถ้าภูเขาไฟ ‘คุณไม่สามารถวัดตัวอย่างสองหรือสามตัวอย่างแล้วทำการสรุปสำหรับเถ้าภูเขาไฟและการปะทุของภูเขาไฟทั่วโลก พวกมันมีความแตกต่างกันอย่างมากในองค์ประกอบของแก้ว สัดส่วนของแก้วต่อแร่ธาตุ ประเภทของแร่ธาตุ ดังนั้นการทดลองที่ฉันทำจึงพยายามที่จะไปให้ถึงจุดต่ำสุดของช่วงประสิทธิภาพของเถ้าภูเขาไฟจากการปะทุประเภทต่างๆ” เธอกล่าว .
Maters เก็บตัวอย่างเถ้า 9 ตัวอย่างด้วยองค์ประกอบต่างๆ และใช้เพื่อสร้างตัวอย่างสังเคราะห์ 9 ตัวอย่างผ่านการหลอมเหลวและการทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว เธอเปรียบเทียบตัวอย่างทั้ง 18 ตัวอย่างเพื่อระบุคุณสมบัติที่ทำให้เถ้าภูเขาไฟมีความกระตือรือร้นในการสร้างน้ำแข็งมากขึ้น ในการศึกษาอื่นกับกลุ่มที่ Karlsruhe Institute of Technology ในเยอรมนี Maters และเพื่อนร่วมงานได้วิเคราะห์ตัวอย่างภูเขาไฟอีก 15 ตัวอย่างเพื่อระบุคุณสมบัติของการทำน้ำแข็ง
เธอแนะนำว่าส่วนประกอบที่มีฤทธิ์เป็นน้ำแข็งมากที่สุดในเถ้าภูเขาไฟคืออัลคาไลเฟลด์สปาร์ ซึ่งเป็นแร่ธาตุที่ประกอบด้วยอะลูมิเนียม ซิลิกอน และออกซิเจนซึ่งมักพบในเปลือกโลก ‘ตอนนี้ เมื่อมีความเข้าใจว่าแร่ธาตุใดในเถ้านั้นดีในการสร้างนิวเคลียส (ก่อตัว) น้ำแข็ง’ Maters กล่าว ‘คุณอาจจะสามารถทำนายได้ว่าภูเขาไฟปะทุเมื่อใดว่าภูเขาไฟนั้นซึ่งขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของแมกมาสามารถก่อให้เกิดน้ำแข็งได้ เถ้า.’
แม้ว่าก่อนหน้านี้งานของเธอจะทำในห้องปฏิบัติการ แต่การระบาดของไวรัสโควิด-19 ทำให้เธอต้องกลายเป็นนางแบบ เธอกล่าวติดตลก ตอนนี้เธอกำลังตรวจสอบการปะทุของภูเขาไฟ Eyjafjallajökull ในปี 2010 ในประเทศไอซ์แลนด์ เพื่อดูว่าอนุภาคที่ก่อตัวเป็นน้ำแข็งเข้าสู่ชั้นบรรยากาศได้อย่างไร และอนุภาคเหล่านั้นเปรียบเทียบกับฝุ่นแร่ที่อุดมสมบูรณ์อย่างไร
การศึกษาจะตรวจสอบว่าเถ้าภูเขาไฟมีบทบาทอย่างไรต่อการก่อตัวของน้ำแข็งเมื่อเรานำมันเข้าไปในชั้นบรรยากาศจริงๆ โดยจะนำไปเปรียบเทียบกับอนุภาคประเภทอื่น เช่น ฝุ่นแร่ และตั้งคำถามว่า “มันสำคัญไหม?”
เมื่อมีการพัฒนาแบบจำลองสภาพภูมิอากาศที่ดีขึ้น ‘มันเป็นข้อพิสูจน์ของแนวคิดที่แสดงให้เห็นว่าการปะทุของการระเบิดอาจมีความสำคัญที่จะรวมไว้ด้วย’ Maters กล่าว
การวิจัยในบทความนี้ได้รับทุนจากสหภาพยุโรป บทความนี้เผยแพร่ครั้งแรก ใน Horizonนิตยสาร EU Research and Innovation
