Skip to main content
2021-04-02

Stratosferische aerosolen zijn voor het grootste deel afkomstig van vulkaanuitbarstingen en hebben een grote invloed op de atmosfeer en het klimaat van de aarde. Het BIRA is betrokken bij het monitoren van deze aerosolen en levert gegevens van hoge kwaliteit aan gecentraliseerde databanken zoals het Copernicus-programma, die onder andere in klimatologische modellen worden geïntegreerd.

Maak kennis met Mount Pinatubo

Een half millennium lang heeft de Pinatubo-vulkaan - gelegen in het westelijk deel van de Filippijnen - sluimerend doorgebracht en zijn flanken rustig door bossen laten bedekken. Maar 30 jaar geleden, op 2 april 1991, ontwaakte de vulkaan plotseling uit zijn sluimering. De toenemende magmadruk in de aardkorst werd te groot. Na maanden van regelmatige aardbevingen barstte de noordelijke flank van de berg uiteindelijk open toen opstijgend magma in contact kwam met ondergronds water, waardoor het onmiddellijk in stoom veranderde en een krachtige explosie veroorzaakte.

Pinatubo crater
Luchtfoto van de Pinatubo-krater (2,5 km breed) met het begin van een kleine explosie op 1 augustus. Credit: T.J. Casadevall, U.S. Geological Survey

Het was echter slechts een eerste, relatief kleine uitbarsting, vergeleken met wat nog moest komen. Enkele weken later kwamen wetenschappers ter plaatse om de nieuwe activiteit van dichterbij te volgen. Zij registreerden de aanhoudende aardbevingen, en begonnen in mei met metingen van zwaveldioxidegas (SO2) dat uit de geopende kloof ontsnapte. De SO2-uitstoot steeg snel tot eind mei, van 500 ton tot 5000 ton, en daalde daarna weer aanzienlijk, wat erop wijst dat iets het ontgassingsproces blokkeerde en een opeenhoping van gassen diep onder de grond veroorzaakte.

In juni begonnen zich opnieuw kleine uitbarstingen voor te doen, langzaam opbouwend tot op het moment dat het ware destructieve potentieel van de Pinatubo onthuld werd, op 15 juni 1991. De rijzende gasbellen die zich de afgelopen weken in de magmakamer en -kolom hadden opgehoopt, barstten open, waardoor gedurende negen uur ongeveer 5 km3 aan materie de stratosfeer werd ingeblazen (dat uiteindelijk hoogtes tot 35 km bereikte) en de top van de berg instortte.

De onmiddellijke gevolgen van de uitbarsting bleven gelukkig beperkt door de preventieve maatregelen die werden genomen, hoewel er nog steeds veel mensenlevens verloren gingen (naar schatting 300-350 doden waren het directe gevolg van de uitbarsting, doordat daken instortten onder het gewicht van het as) en de materiële schade aanzienlijk was. Zware regens die verwoestende stromen vulkanisch puin (Lahars) veroorzaakten, bleven de omringende populatie in de daaropvolgende jaren teisteren, met als gevolg een totaal dodental van naar schatting 750 tot 850.

Impact van de Pinatubo-uitbarsting op de chemische samenstelling van de stratosfeer

De gevolgen reikten echter veel verder dan dat. De uitbarsting van de Pinatubo-vulkaan van 15 juni was de grootste uitbarsting van de afgelopen 100 jaar. De hoeveelheid zwavel werd geïnjecteerd – en in enkele maanden tijd in de hele stratosfeer werd en verspreid - was zo groot dat de verstrooiing van licht in de atmosfeer gedurende meer dan 5 jaar werd verstoord. Naast dit directe effect, dat resulteerde in een afkoeling van de atmosfeer met ongeveer 0,2 tot 0,5°C (voor de globale troposfeer), had de vulkanische wolk meerdere secundaire effecten. Het bracht veranderingen teweeg in de atmosferische dynamiek en had een enorme invloed op de chemie en de chemische samenstelling van de atmosfeer (waaronder een vermindering van de ozonlaag met ongeveer 25%) en uiteindelijk op het hele klimaatsysteem van de aarde.

De pluimen bestonden voornamelijk uit as en zwavel in de vorm van zwaveldioxide (SO2), maar ook een hele reeks andere chemische stoffen, waaronder waterdamp (H2O), werden hoog in de anders droge stratosfeer getransporteerd. Door de extra waterdamp kon de SO2 oxideren tot zwavelzuur (H2SO4), dat vervolgens in de loop van enkele weken condensatiekernen vormde voor sulfaataerosolen (fijne druppeltjes in suspensie in de lucht). In feite zijn vulkaanuitbarstingen, door hun gewelddadige kracht, een zeer doeltreffend middel om de nodige ingrediënten te leveren voor de vorming van aerosolen in de stratosfeer, een zeer stabiele laag die moeilijk doordringbaar is.

Vulkaanuitbarstingen beïnvloeden de temperatuur op aarde

Pinatubo from space
Pinatubo eruption seen from space. Credit: NASA/JSC Digital Image Collection

De stratosferische aerosollaag die door de Pinatubo-vulkaan werd gevormd kon aanzienlijke hoeveelheden zonnestraling tegenhouden zodat die het aardoppervlak niet kon bereiken, wat resulteerde in een opwarming van de stratosfeer met 3,5°C, en een afkoeling van de troposfeer van het noordelijk halfrond met 0,2 tot 0,7°C. Dit lijken misschien kleine getallen, maar in het atmosferische systeem hebben kleine veranderingen grote gevolgen. Het leidde tot een toename van het temperatuurverschil tussen de evenaar en de polen, wat resulteerde in een versterking van de atmosferische dynamiek op wereldschaal, van de polaire vortex (een gesloten windstroomlus die de polaire atmosfeer in de winter gedurende verscheidene maanden isoleert) met de bijhorende straalstroom rond de middelste breedtegraden, en van een reeks andere atmosferische oscillatieverschijnselen.

Aanvankelijk werd gesuggereerd dat de uitbarsting van Mount Pinatubo in 1991 ook de oorzaak was van de daaropvolgende buitengewoon warme winter op het noordelijk halfrond. Recente studies met klimaatmodellen hebben dit effect echter niet kunnen reproduceren, waaruit blijkt dat de twee gebeurtenissen waarschijnlijk geen verband met elkaar hielden.

Vulkanen hebben in de geschiedenis van de aarde altijd een belangrijke invloed gehad op de klimaatveranderingen, lang voordat menselijke activiteit een factor werd. Daarom is het noodzakelijk om de aard en het volume van de materie die vulkanen uitwerpen, maar ook de frequentie van de uitbarstingen in het oog houden.

Monitoring van stratosferische aerosolen

We hebben het al even kort gehad over de effecten van SO2 en aerosolen van vulkanische oorsprong op het klimaat en op de ozonlaag, maar daarnaast vormen vulkaanuitbarstingen met een omvang als die van Mt. Pinatubo ook een directe bedreiging voor de luchtvaart. Zowel het as als de gassen die vrijkomen kunnen aanzienlijke schade aanrichten.

Al deze redenen illustreren de nood aan hoge-kwaliteitsgegevens voor sulfaataerosolen, zowel in de stratosfeer als in de troposfeer. Vergeleken met atmosferische gassen vormen aerosolen een bijzonder moeilijk onderzoeksonderwerp. De manier waarop ze licht verstrooien of absorberen is afhankelijk van vele variabelen, zoals hun grootte, samenstelling, historiek en oorsprong (er zijn ook andere bronnen, zoals woestijnstof, antropogene verontreiniging enz., hoewel vulkanisme de belangrijkste bron blijft). Atmosferische omstandigheden of plaatselijke kenmerken van de atmosferische dynamiek beïnvloeden ook hun microscopische kenmerken.

Deze variabiliteit en de uiteenlopende kenmerken van de aerosoldeeltjes maken het voor wetenschappers moeilijk om te ontcijferen wat de satellietwaarnemingen eigenlijk weergeven. Onderzoekers moeten uitzoeken wat er in de atmosfeer gebeurt op basis van binnenstromende cijfers, die de karakteristieken meedragen van het licht dat satellietinstrumenten hebben opgevangen.

Bij het BIRA werken we aan het vertalen van satellietgegevens in zinvolle informatie dat in andere toepassingen kan gebruikt worden. We leveren lange tijdreeksen, wereldwijde datasets, of meer gedetailleerde lokale gegevens voor verschillende atmosferische soorten, waaronder stratosferische aerosolen, aan het Europese Copernicus-programma. Deze informatie wordt na nauwkeurige en gedetailleerde karakterisering gecentraliseerd in internationale databanken, om onder andere in klimaatmodellen te worden geïntegreerd.

Grpah
Figuur 3 uit Bingen et al., JGR, 109, 2004. Deze grafiek toont een tijdreeks op basis van metingen van het satellietinstrument "SAGE II", en geeft de ontwikkeling weer in de tijd en op de breedtegraad van de dichtheid van de aerosoldeeltjes in aantal per cm-3, tussen 1985 en 2000, op een hoogte van 22,5 km. De letters "R" (Nevado del Ruiz), "K" (Kelut) en "P" (Pinatubo) geven de belangrijkste vulkaanuitbarstingen in deze periode aan. De logaritmische kleurenschaal laat zien dat de dichtheid kan variëren over 3 orden van grootte. De witte gebieden komen overeen met een gebrek aan metingen, te wijten aan "orbit gaps" (de satellietbaan bestrijkt het betrokken gebied niet), met uitzondering van het uitgestrekte gebied boven de tropische zone tussen juni 1991 en midden 1992: de vulkanische wolk, waarvan de rood-oranje tinten de voortplanting naar de polen weergeven, was tijdens deze metingen in de tropen zo dicht dat het naar de satelliet gereflecteerde licht te zwak was om correct te worden gemeten. Het daaruit voortvloeiende gebrek aan metingen betekent dat deze uitbarsting vandaag de dag nog steeds wordt bestudeerd met behulp van modellen en dat er onzekerheden blijven bestaan over de precieze omvang en het verloop ervan.

Referenties

 

News image 1
News image legend 1
Uitzicht vanuit Clark Air Base op de grote uitbarsting van Mount Pinatubo op 15 juni 1991. Deze duurde negen uur, stuurde brokstukken, as en gassen de stratosfeer in, tot 35 km hoogte, genereerde omvangrijke pyroklastische stromen (extreem snelle "lawines" van zeer heet gas en as), en liet een caldera (de krater gevormd door het instorten van de top van de vulkaan) met een diameter van 2,5 km achter. Credit: R. Lapointe, U.S. Air Force
News image 2
News image legend 2
Een 9 cm dikke aslaag bedekt Clark Air Base, 25 km ten oosten van de Pinatubo-vulkaan. Credit: R.P. Hoblitt
News image 3
News image legend 3
Foto genomen vanuit de Space Shuttle (Missie STS-43) van de Aarde boven Zuid-Amerika op 8 augustus 1991. De dubbele laag aerosolen afkomstig van de Pinatubo-uitbarsting (donkere strepen) zijn hier zichtbaar boven hoge cumulonimbus toppen. Credit: NASA