В июне 1991 года произошло извержение вулкана Пинатубо на Филиппинских островах. Над горой поднялся столб высотой более 30 км, устремивший поток из миллионов тонн пепла и газа прямо в слои стратосферы, стабильный слой нашей атмосферы, находящийся выше облаков. В результате образовалась пленка, которая не позволяла солнечным лучам достигать поверхности Земли, что привело к падению мировой температуры в среднем на 0,5°С (0,9°F).
Лори Глэйз, специалист Центра космических полетов им. Годдарда в штате Мэриленд сказала: “Мы пытаемся лучше понять, как вулканы меняют наш климат на протяжении уже 30 лет. Извержения вулканов Сент-Хеленс в 1980 году (штат Вашингтон) и Эль-Чичон в 1982 году в Мексике были примерно равными по силе. Вулкан Сент-Хеленс не вызвал каких-либо значительных климатических изменений, но после Эль-Чичон наблюдалось глобальное похолодание на протяжении нескольких лет. Пытаясь понять, почему это происходит, люди стали изучать этот вопрос, и оказалось, что в результате извержения вулкана Эль-Чичон, в атмосферу попало гораздо больше серы, чем от вулкана Сент-Хеленс”.
   Извержения Эль-Чичон и Пинатубо оказались довольно мощными, в слои стратосферы было выброшено большое количество газов, что на непродолжительное время оказало влияние на климат. "Стратосфера является стабильным слоем атмосферы, поэтому если газ из вулканического столба достигает стратосферы, то остается здесь на долгое время, даже на несколько лет. Несмотря на это, есть много нюансов. Происходит выброс аэрозолей в стратосферу, которые рассеивают потоки солнечного излучения. В результате, стратосфера нагревается, а земная поверхность охлаждается. Основной вулканический газ – это диоксид серы (SO2) и сернистый водород (H2S), образующие в стратосфере слой серной кислоты (H2SO4), которая рассеивает часть теплового излучения от солнца".

 
Это столб пепла от Сарычева вулкана на Курильских островах на северо-восток от Японии. Фотография была сделана Международной космической станций на ранней стадии извержения 12 июня 2009 года.
Автор: NASA

   Другой тип вулканов выбрасывает пирокластические потоки. Извержение проходит не так драматично, но по огромному объему испускаемых газов и лавы такие вулканы превосходят все другие типы. “Извержение Пинатубо дает один мощный выброс сернистого и других газов в слои стратосферы, затем вулкан затихает на сотни, а то и тысячи лет. С пирокластическим извержением мы получаем постоянный источник этих химических веществ на десятки, сотни и даже тысячи лет. Само извержение не представляет собой крупнейшего события, но газы продолжают поступать в атмосферу в течение долгого промежутка времен”, — утверждает Глэйз.
На протяжении всей истории человечества еще не наблюдалось ни одного пирокластического извержения, что, возможно, очень хорошо. “Это просто непостижимо, насколько большими могут быть потоки лавы. В результате такого базальтового выброса, река Колумбия и большая часть западного штата Вашингтон были покрыты слоем лавы толщиной в 1,5 км”. Базальтовое образование реки, извержение Роза, стало также предметом изучения Глэйз и ее команды. Это событие произошло около 14,7 млн лет назад и за 10–15 лет покрыло территорию слоем лавы в 1300 куб км.
   Пирокластическое извержение вулкана Пинатубо не отличается особой взрывоопасностью. Расплавленная порода (магма) в таких извержениях просто вытекает из жерла вулкана. Содержащийся в магме газ также беспрепятственно освобождается. Фонтаны лавы выбрасываются в воздух на высоту сотен метров. Зачастую, такие извержения происходят вдоль разломов (трещин) земной коры, вызывая очень мощный поток лавы. Лавовый фонтан наблюдался на Гавайях и при извержении вулкана Этна в Сицилии, Италия.

 
Небольшой лавовый фонтан, запечатленный во время извержения вулкана Этна в 1989 году в Италии. Слой фрагментированного пепла и газа парит в воздухе над раскаленной красной лавой.
Автор: Лори Глэйз

   Магма вулкана Пинатубо более густая, поэтому течет медленнее. Газы, растворенные в магме, не могут свободно выходить, поэтому, когда давление в начале извержения резко возрастает, весь газ вылетает мгновенно, как пробка шампанского, вызывая эксплозивное извержение.
Лавовые извержения не такие сильные, поэтому ученые думают, могут ли выбрасываемые в результате таких извержений газы достигнуть стратосферы и повлиять на изменение климата. Ответ зависит не только от того, насколько мощным является выброс – чем выше фонтан лавы, тем выше столб выброса газа – но и где начинается стратосфера.
Граница между нестабильным нижним уровнем атмосферы (тропосферой) и стабильной стратосферой называется тропопаузой. Теплый воздух поднимается выше, чем холодный, поэтому тропопауза выше над экватором. Затем она постепенно уменьшается, пока не достигнет своего минимума на полюсах. Из этого следует, что вулканический столб на высоких широтах возле полюсов имеет больше шансов попасть в стратосферу, чем от вулкана, расположенного возле экватора.
Высота этой границы со временем меняется так же, как и состав атмосферы. Например, углекислый газ захватывает тепло от солнца. Если этого газа в атмосфере становится слишком много, температура повышается и тропопауза поднимается выше.
   Вопрос о том, способно ли лавовое извержение изменять климат, был поднят в связи с еще одним небольшим по масштабам извержением вулкана в Исландии. По словам Глэйз, извержение вулкана Лаки с 1783 по 1784 год вызвало насыщение верхнего слоя тропосферы углекислым газом, что повлияло на климат северного полушария в 1783–1784 годах. Бен Франклин, живший во Франции в то время, отмечал необычный туман и суровую зиму, предполагая, что причиной подобных изменений могли стать вулканы Исландии.
   Чтобы ответить на этот вопрос, Глэйз и ее команда применили разработанную ими компьютерную модель для расчета высоты вулканического столба. «Мы впервые применили такую модель, чтобы выяснить, могли ли потоки пепла и газа от извержения вулкана Роза достигнуть стратосферы в определенное время». Ее команда установила высоту тропопаузы в широтах извержения (около 45 градусов Северной долготы) и состав атмосферы. По результатам исследования был сделан вывод, что извержение могло достигнуть стратосферы. Глэйз является автором этого научного исследования, опубликованного 6 августа в журнале “Науки о Земле и планетарные исследования”.
“Изучив пятикилометровую часть разлома Роза, мы выяснили, что приблизительно 180 км длины могло быть причиной более 36 взрывоопасных событий, каждого длительностью от 3 до 4 дней, на протяжении 10–15 лет. Каждый сегмент трещины мог выпускать в стратосферу до 62 млн метрических тонн сернистого газа в день во время активного извержения, что эквивалентно трем вулканам Пинатубо за один день”.
   Команда проверила свою модель на извержении вулкана Ицзуосима в Японии в 1986 году, который произвел мощный лавовый фонтан высотой 1,6 км. “В результате образовались столбы газа высотой в 12–16 км над уровнем моря”, — говорит Глэйз. Когда команда внесла высоту фонтана, температуру, ширину разлома и другие характеристики этого извержения в свою модель, то получили максимальную высоту столба от 13,1 до 17,4 км, что превысило все ожидаемые результаты.
“Предположим, что гораздо большее извержение Розы образовало фонтан, близкий по высоте к Ицзуосима. Тогда наша модель показывает, что Роза могла вызвать попадание пепла и газов в стратосферу на 45 градусах Северной широты”, — говорит Глэйз.
   Ученые уже сделали вывод, что извержение Розы потенциально могло изменить климат, но остаются невыясненными также вопросы об изменении климата, близкого по времени к извержению, а также возможность исчезновения палеонтологической летописи, признаков изменений в составе атмосферы или уровня моря.
“В ходе своего исследования я хотела бы применить полученные результаты на более древних разломовых извержениях на Венере и Марсе. В вулканических столбах также присутствуют водяной пар и углекислота. Они не оказывают значительного влияния на Землю, потому что их и так много в атмосфере. В то же время, на Венере и Марсе эти газы играют куда более важную роль из-за их малого присутствия в атмосфере. Венера – мой любимый объект для изучения. В ходе ее исследования я хочу выяснить, имеются ли в настоящее время активные процессы вулканизма на Венере, что мы должны там сегодня искать?”
   Венера покрыта толстым слоем облаков, поэтому вулканические столбы трудно обнаружить из космоса. Но есть возможность того, что активный вулкан сможет вызвать значительные изменения в составе атмосферы этой планеты.
   Исследование финансировалось Программой планетарной геологии и геофизики NASA под руководством штаб-квартиры в Вашингтоне.