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

火山が空を突き抜けるほどの力で噴火するとき、それは単に灰や岩石を吹き出すだけではありません。火山は大量の二酸化硫黄ガスを大気圏の高い層へと注入します。そこは空気が薄く、数千マイルにもわたって一定の風が吹いている層です。そこに到達したガスは、ゆっくりと微細な硫酸塩エアロゾル粒子へと変化します。これらの粒子はベールのような役割を果たし、太陽光を宇宙へと跳ね返して地表を冷却する一方で、上層大気を加熱して温めます。これらの粒子は数ヶ月、あるいは数年も残留することができるため、地球の気象パターンを動かし、さらには私たちを有害な放射線から守っている保護層であるオゾン層を希薄化させる力を持っています。たった一度の噴火が季節や数十年にわたってどのように気候を変え得るのかを理解するために、科学者たちは、これらの粒子がどのように形成され、どこへ行き、どのくらい長く留まるのかを正確にシミュレートできなければなりません。これらのシミュレーションの精度は、噴火自体の正確な詳細、すなわち、ガスが正確にいつ放出されたのか、そして極めて重要な点として、それがどの高さで空に入ったのかを知ることに完全に依存しています。

長年、科学者たちはコンピュータモデルにこれらの初期詳細を提供するために、グローバルなデータベースに頼ってきました。VolcanEESMとして知られる広く利用されているデータベースの一つは、有用ではあるものの簡略化された図を提供しています。これは、噴火を、固定された量のガスが標準的な6時間の窓の中で放出され、報告された低高度と高高度の間に均等に拡散される単一のイベントとして扱います。このアプローチはガスの総量は捉えますが、火山が実際にどのように振る舞うかという、乱雑な現実を見落としています。実際の噴火はめったに安定していません。火山は脈動し、強度が変化し、数日あるいは数週間にわたって異なる高さでガスを注入します。これらの詳細を平滑化することで、古いデータベースは、コンピュータモデルに対して、衛星で見られるような混沌とした進化する噴煙とは一致しない、静的で一様な雲からスタートすることを強いてしまいます。この不一致は、雲がどのように漂い、どれほど速く消失し、どれほど大気を温めたり冷やしたりするかという予測に誤差をもたらす可能性があります。

これを修正するために、研究チームは、より高解像度なインベントリ（目録）であるTHRIVE-SO2を開発しました。固定された放出を想定する代わりに、彼らは衛星観測と逆方向の追跡計算を組み合わせることで、2002年から現在までの52件の爆発的噴火の履歴を再構築しました。彼らは宇宙から見た二酸化硫黄の雲のスナップショットを取り、粒子の動きを過去に遡って追跡することで、それらが正確にいつ、どの高度で火山の上を通過したのかを突き止めました。この手法により、ガスの放出が15分ごと、かつ0.2キロメートルの高度ごとにどのように行われたかを示す、各噴火の詳細なマップが作成されました。その結果、単なる平坦で平均化された推測ではなく、噴火の真のリズムと垂直構造を捉えた、動的な火山放出の肖像画が得られました。

研究者たちは、5つの主要な噴火、すなわち2009年のサリチェフ、2010年のメラピ、2011年のナブロ、2014年のケルドゥ、2015年のカルブコを用いて、この新しいインベントリをコンピュータシミュレーションでテストしました。これらのイベントは、それぞれ世界の異なる場所で発生し、異なる大気層へとプルーム（噴煙）を送り込んだため、新システムの厳格なテストとして選ばれました。あらゆるケースにおいて、彼らは新しいTHRIVE-SO2データによって駆動されたシミュレーションの結果を、古いVolcanEESMデータベースによって駆動されたものと比較し、二酸化硫黄の雲の実際の衛星観測とどちらがよく一致するかを検証しました。シミュレーションの結果、新しいインベントリは、噴火後の数日間におけるガス雲の緩やかな形成をより正確に再現しました。一方で、古いデータベースでは、ガスが一度に現れたように示されました。この違いは重要です。なぜなら、放出のタイミングが、雲が最初に遭遇する風を決定し、それが非常に異なる目的地へと向かう経路を設定するからです。

改善は、シミュレーションがガスの垂直分布をどのように扱うかにおいて、さらに顕著でした。新しいインベントリは、二酸化硫黄がしばしば特定の層に注入されること、つまり、時には下層大気に留まり、時には成層圏へ真っ直ぐに突き抜けることを示しました。低高度と高高度の間にガスを均等に広げてしまう古いデータベースは、しばしば成層圏のあまりに高い位置に多すぎるガスを配置してしまいました。この誤差により、シミュレーションは粒子が滞留する期間と移動距離を過大評価することになりました。より正確な注入高度を用いた新しいインベントリを用いることで、シミュレーションは、ガスが減少し拡散していく様子を、実際に衛星が見た姿と密接に一致するように示しました。例えば、ナブロ噴火の場合、新しいモデルはプルームが東方向に移動し、その後広がっていく様子を正確に追跡しましたが、古いモデルでは雲が過度にコンパクトで凝縮されたままでした。

ガスを追跡するだけでなく、研究は次に何が起こるかについても調査しました。すなわち、硫酸塩エアロゾルの形成です。新しいインベントリはガスを正しい大気層に配置したため、その結果得られたエアロゾル雲のシミュレーションもより現実的なものとなりました。古いデータベースは、エアロゾル層が厚すぎ、かつ高すぎると判断する傾向があり、実際よりも強く長く続く気候への影響を示唆していました。対照的に、新しいシミュレーションは、大気の霞（かすみ）の衛星測定値とより良く一致するエアロゾル分布を示しました。これは、これまでの、これらの噴火が地球をどれほど冷却したか、あるいはオゾン層にどれほど影響を与えたかという推定値が、簡略化された初期データのために、わずかにずれていた可能性があることを示唆しています。この研究は、より良い気候予測の鍵は、火山がどれだけのガスを吹き出すかを知ることだけでなく、そのガスがどのように空に入るのかという、正確かつ瞬間的な詳細を理解することにあると裏付けています。

研究者たちは、古いデータベースは依然として広範で一般的な研究には有用であるが、新しいTHRIVE-SO2インベントリは、火山噴火が気候や大気化学に与える具体的な影響を調査するための、より強力な基盤を提供すると強調しています。放出のタイミングと高さを解決することで、新しいシステムはこれらのシミュレーションにおける主要な不確実性の源を取り除きます。この進歩により、科学者たちは火山プルームがどのように世界中を旅し、どのように風と相互作用し、そして最終的にどのように消えていくのかを、より明確に把握できるようになります。チームがこのインベントリを継続的に洗練させ、将来の気候モデルに適用していくにつれ、自然界の最も強力な爆発が、私たちの吸う空気や私たちが生きる気候をどのように形作っているのかについて、より鮮明な姿を描き出すことが期待されます。