Improved Simulation of Volcanic Sulfur Dioxide Depletion and Transport Using a High-Resolution Volcanic Sulfur Dioxide Emissions Inventory

Wenn ein Vulkan mit einer solchen Kraft ausbricht, dass er sich seinen Weg durch den Himmel bahnt, stößt er nicht nur Asche und Gestein aus. Er injiziert riesige Wolken aus Schwefeldioxidgas hoch in die Atmosphäre, in Schichten, in denen die Luft dünn ist und die Winde über Tausende von Kilometern stetig wehen. Einmal dort angekommen, verwandelt sich dieses Gas langsam in winzige Sulfataerosol-Partikel. Diese Partikel wirken wie ein Schleier, der das Sonnenlicht zurück in den Weltraum reflektiert und so die Erdoberfläche abkühlt, während sie gleichzeitig Wärme in der oberen Atmosphäre absorbieren und diese erwärmen. Da diese Partikel Monate oder sogar Jahre lang verweilen können, besitzen sie die Macht, globale Wetterlagen zu beeinflussen und sogar die schützende Ozonschicht, die uns vor schädlicher Strahlung bewahrt, auszudünnen. Um zu verstehen, wie ein einzelner Ausbruch das Klima für eine Saison oder ein Jahrzehnt verändern könnte, müssen Wissenschaftler in der Lage sein, genau zu simulieren, wie diese Partikel entstehen, wohin sie gelangen und wie lange sie anhalten. Die Genauigkeit dieser Simulationen hängt vollständig davon ab, die präzisen Details des Ausbruchs selbst zu kennen: exakt wann das Gas freigesetzt wurde und – entscheidend – in welcher Höhe es in den Himmel eintrat.

Jahrelang haben sich Wissenschaftler auf globale Datenbanken verlassen, um diese Startdetails für ihre Computermodelle bereitzustellen. Eine weit verbreitete Datenbank namens VolcanEESM bietet ein nützliches, aber vereinfachtes Bild. Sie behandelt einen Ausbruch als ein einzelnes Ereignis, bei dem eine feste Menge Gas über ein Standardfenster von sechs Stunden freigesetzt wird und gleichmäßig zwischen einer gemeldeten niedrigen und hohen Höhe verteilt wird. Während dieser Ansatz die Gesamtmenge des Gases erfasst, übersieht er die chaotische Realität des tatsächlichen vulkanischen Verhaltens. Echte Ausbrüche sind selten stetig; sie pulsieren, ändern ihre Intensität und injizieren Gas in variierenden Höhen über Tage oder Wochen hinweg. Durch das Glätten dieser Details zwingen die alten Datenbanken Computermodelle dazu, mit einer statischen, gleichmäßigen Wolke zu beginnen, die nicht der chaotischen, sich entwickelnden Rauchfahne entspricht, die von Satelliten beobachtet wird. Diese Diskrepanz kann zu Fehlern bei der Vorhersage führen, wie die Wolke driftet, wie schnell sie verschwindet und wie viel sie die Atmosphäre erwärmt oder abkühlt.

Um dies zu korrigieren, hat ein Forscherteam ein neues, hochauflösendes Inventar namens THRIVE-SO2 entwickelt. Anstatt eine feste Freisetzung anzunehmen, rekonstruierten sie die Geschichte von 52 explosiven Eruptionen von 2002 bis heute, indem sie Satellitendaten mit Rückwärtsverfolgungsberechnungen kombinierten. Sie nahmen Momentaufnahmen der Schwefeldioxidwolken, wie sie aus dem Weltraum sichtbar waren, und verfolgten die Partikel in der Zeit zurück, um genau zu ermitteln, wann und in welcher Höhe sie den Vulkan passierten. Diese Methode erzeugte eine detaillierte Karte jeder Eruption, die zeigte, wie das Gas alle 15 Minuten und in jedem 0,2-Kilometer-Höhenschicht freigesetzt wurde. Das Ergebnis ist ein dynamisches Porträt vulkanischer Emissionen, das den wahren Rhythmus und die vertikale Struktur des Ereignisses einfängt, anstatt einer flachen, gemittelten Schätzung zu entsprechen.

Die Forscher testeten dieses neue Inventar, indem sie Computersimulationen von fünf großen Eruptionen durchführten: Sarychev im Jahr 2009, Merapi im Jahr 2010, Nabro im Jahr 2011, Kelud im Jahr 2014 und Calbuco im Jahr 2015. Diese Ereignisse wurden ausgewählt, weil sie in verschiedenen Teilen der Welt auftraten und ihre Rauchfahnen in unterschiedliche atmosphärische Schichten schickten, was einen strengen Test für das neue System darstellte. In jedem Fall verglichen sie die Ergebnisse der Simulationen, die durch die neuen THRIVE-SO2-Daten angetrieben wurden, mit denen der älteren VolcanEESM-Datenbank und prüften dabei, wie gut jedes Modell mit den tatsächlichen Satellitenbeobachtungen der Schwefeldioxidwolken übereinstimmte. Die Simulationen zeigten, dass das neue Inventar das reale Verhalten der Rauchfahnen viel genauer wiedergab. Insbesondere erfassten die THRIVE-SO2-Simulationen korrekt den allmählichen Aufbau der Gaswolke in den Tagen nach einem Ausbruch, während die ältere Datenbank das Gas als ein einmaliges Ereignis erscheinen ließ. Dieser Unterschied war wichtig, da der Zeitpunkt der Freisetzung bestimmt, welchen Winden die Wolke zuerst begegnet, was wiederum ihren Pfiel zu völlig unterschiedlichen Zielen lenken kann.

Die Verbesserung war noch deutlicher in der Art und Weise, wie die Simulationen die vertikale Verteilung des Gases behandelten. Das neue Inventar zeigte, dass Schwefeldioxid oft in spezifische atmosphärische Schichten injiziert wird, wobei es manchmal in der unteren Atmosphäre bleibt und manchmal direkt in die Stratosphäre schießt. Die ältere Datenbank, die das Gas gleichmäßig zwischen einem tiefen und einem hohen Punkt verteilte, platzierte oft zu viel Gas zu hoch oben in der Stratosphäre. Dieser Fehler führte dazu, dass die Simulationen überschätzten, wie lange die Partikel in der Luft bleiben würden und wie weit sie reisen würden. Mit den neuen, präziseren Injektionshöhen zeigten die Simulationen, dass das Gas abnahm und sich so verteilte, dass es eng mit dem übereinstimmte, was Satelliten tatsächlich sahen. Im Fall der Nabro-Eruption beispielsweise verfolgte das neue Modell die Rauchfahne korrekt bei ihrer Bewegung nach Osten und ihrer anschließenden Ausbreitung, während das alte Modell die Wolke zu kompakt und konzentriert hielt.

Über die bloße Verfolgung des Gases hinaus untersuchte die Studie auch, was als Nächst-es geschieht: die Bildung von Sulfataerosolen. Da das neue Inventar das Gas in die korrekten atmosphärischen Schichten platzierte, waren auch die daraus resultierenden Simulationen der Aerosolwolken realistischer. Die ältere Datenbank neigte dazu, Aerosolschichten zu erzeugen, die zu dick und zu hoch waren, was auf einen stärkeren und länger anhaltenden Klimaeffekt hindeutete, als wahrscheinlich tatsächlich auftrat. Die neuen Simulationen hingegen zeigten Aerosolverteilungen, die den Satellitenmessungen des atmosphärischen Dunstes viel besser entsprachen. Dies deutet darauf an, dass frühere Schätzungen darüber, wie sehr diese Eruptionen den Planeten abkühlten oder die Ozonschicht beeinflussten, aufgrund der vereinfachten Ausgangsdaten möglicherweise leicht ungenau waren. Die Studie bestätigt, dass der Schlüssel zu besseren Klimavorhersagen nicht nur darin liegt, zu wissen, wie viel Gas ein Vulkan ausstößt, sondern darin, die präzisen, momentgenauen Details zu verstehen, wie dieses Gas in den Himmel gelangt.

Die Forscher betonen, dass die ältere Datenbank zwar für breite, allgemeine Studien weiterhin nützlich ist, das neue THRIVE-SO2-Inventar jedoch eine wesentlich stärkere Grundlage für die Untersuchung der spezifischen Auswirkungen vulkanischer Eruptionen auf das Klima und die atmosphärische Chemie bietet. Durch die Auflösung der zeitlichen und vertikalen Emissionsparameter beseitigt das neue System eine wesentliche Quelle der Unsicherheit in diesen Simulationen. Dieser Fortschritt ermöglicht es Wissenschaftlern, klarer zu sehen, wie vulkanische Rauchfahnen um den Globus ziehen, wie sie mit den Winden interagieren und wie sie schließlich verblassen. Während das Team das Inventar weiter verfeinert und auf zukünftige Klimamodelle anwendet, verspricht es, ein klareres Bild davon zu liefern, wie die gewaltigsten Explosionen der Natur die Luft, die wir atmen, und das Klima, in dem wir leben, formen.