Wstęp
Wulkany mogą wytwarzać tsunami za pomocą trzęsień ziemi, zapadnięć kaldery i zboczy, przepływów piroklastycznych lub podwodnych eksplozji. Mechanizmy te rzadko przemieszczają wystarczającą ilość wody, aby wywołać transoceaniczne tsunami. Gwałtowne eksplozje wulkaniczne mogą jednak spowodować globalne tsunami poprzez wyzwalanie fal akustyczno-grawitacyjnych które pobudzają granicę faz atmosfera-ocean. Kolosalna erupcja wulkanu Hunga Tonga-Hunga Ha'apai i następujące po niej tsunami jest pierwszym globalnym tsunami wywołanym przez wulkan zarejestrowanym przez nowoczesne, gęste oprzyrządowanie na całym świecie, co stanowi unikalną okazję do zbadania roli procesów sprzężenia powietrze-woda w powstawaniu i rozprzestrzenianiu się tsunami. Wykorzystane zostały dane dotyczące poziomu morza, atmosfery i dane satelitarne z całego świata, wraz z modelami numerycznymi i analitycznymi, aby wykazać, że to tsunami było napędzane przez stale poruszające się źródło, w którym fale akustyczno-grawitacyjne promieniujące z erupcji pobudzają ocean i przekazują do niego energię za pomocą rezonansu. Bezpośrednia korelacja między tsunami a czasem nadejścia fal akustyczno-grawitacyjnych potwierdza, że zjawiska te są ze sobą ściśle powiązane.
Nie wiem czy Państwo pamiętają na poprzednim profilu jak omawialiśmy wzrosty ciśnienia nagłe na stacjach meteorologicznych w Polsce ? , to było tsunami falowe a także jego globalny zasięg, są zgodne ze źródłem sprzężonym powietrze-woda. Ten mechanizm sprzęgania ma wyraźne implikacje dla zagrożeń, ponieważ prowadzi do wyższych fal wzdłuż mas lądowych, które gwałtownie wznoszą się z długich odcinków głębokich wód oceanicznych.
Aktywność wulkaniczna od dawna jest uznawana za źródło tsunami, a wulkaniczne trzęsienia ziemi, zapadnięcia grawitacyjne i kaldery, przepływy piroklastyczne, podwodne eksplozje i wybuchy wulkaniczne stanowią główne czynniki wywołujące wulkaniczne fale tsunami. Zazwyczaj większość z tych mechanizmów nie wypiera wystarczającej ilości wody, aby spowodować długie i dalekosiężne tsunami. W związku z tym wywołują one lokalne tsunami punktowe, które bardzo efektywnie rozpraszają energię wraz z odległością. Jednak powstawanie międzyoceanicznych tsunami wulkanicznych, choć rzadkie, jest możliwe dzięki sprzężeniu powietrze-woda.
Gwałtowne erupcje eksplozywne mogą wywołać perturbacje atmosferyczne poprzez nagłe wyrzucenie, z prędkością naddźwiękową, lawy i gazów w powietrze. Jeśli ciśnienie wybuchu jest wystarczająco duże, wpychanie produktów wulkanicznych do atmosfery może wytwarzać fale akustyczno-grawitacyjne.
Fale akustyczno-grawitacyjne to fale dźwiękowe o niskiej częstotliwości, typu kompresji, rozchodzące się pod wpływem grawitacji z prędkościami bliskimi prędkości dźwięku ośrodka (na przykład około 340 m s−1 w powietrzu i 1 500 m s−1 w wodzie). W związku z tym mogą pokonywać znaczne odległości, zanim się rozproszą.
Fale akustyczno-grawitacyjne rozchodzą się w różnych ośrodkach, stając się hydroakustycznymi (w wodzie), Scholte (w dnie morskim) lub Rayleigha-Lamba (w warstwach elastycznych). Co najważniejsze, fale akustyczno-grawitacyjne rozchodzące się nad oceanem mogą zmusić powierzchnię morza do generowania fal podobnych do tsunami, znanych jako tsunami wulkaniczno-meteorologiczne. Ze względu na swoją naturę mogą również przenosić energię do wody za pomocą rezonansu.Proces ten zapewnia unikalny mechanizm sprzężenia powietrze-woda, który jest w zasadzie zdolny do wywoływania wyjątkowo szybko przemieszczających się i dalekosiężnych tsunami wulkanicznych.
Chociaż sprzężenie powietrze-woda zostało uznane za realny mechanizm generowania tsunami, wszystkie znane przypadki, w których oscylacje atmosferyczne wywołane erupcją doprowadziły do transoceanicznych lub globalnych tsunami, poprzedzają współczesne, ogólnoświatowe gęste sieci instrumentalne. W związku z tym nadal istnieją znaczące luki w naszej wiedzy na temat procesów sprzężenia powietrze-woda, potencjalnego powiększenia tsunami poprzez rezonans z falami atmosferycznymi oraz prawdziwego zasięgu takich sprzężonych fal z dala od ich źródła. W związku z tym pełny zakres zagrożenia tsunami wywołanego przez atmosferę wywołanego aktywnością wulkaniczną jest nadal nieznany i dlatego rzadko brany pod uwagę przy projektowaniu systemów wczesnego ostrzegania przed tsunami.
Kolosalna eksplozja wulkanu Hunga Tonga-Hunga Ha'apai na południowym Pacyfiku była źródłem obu zauważalnych fal atmosferycznych oraz wyjątkowo szybko przemieszczające się globalne tsunami z minimalnym rozproszeniem w odległym polu. Wyjśnia to tsunami jako mechanizm ruchomego źródła atmosferycznego, które wymusza powierzchnię oceanu i towarzyszy zarówno powstawaniu, jak i rozprzestrzenianiu się fal tsunami. Co najważniejsze, obfitość odczytów atmosferycznych i poziomu morza, które zarejestrowały to zdarzenie na całym świecie, oraz dostępność geostacjonarnych obserwacji satelitarnych rozchodzących się fal akustyczno-grawitacyjnych stanowią wyjątkową okazję do rozwikłania najbardziej enigmatycznych aspektów sprzężenia powietrze-woda i generowania tsunami poprzez wymuszanie i rezonans oceanów. Tsunami na Tonga stanowi zatem pierwszą okazję do zbadania fizycznego mechanizmu powstawania globalnych tsunami przez fale akustyczno-grawitacyjne, co pozwala nam przejść od "dowodu słuszności zasady" do opracowania użytecznych modeli prognostycznych.
Wybuch wulkanu Hunga Tonga–Hunga Ha'apai z 15 stycznia 2022 r. w wewnątrzoceanicznym łuku wulkanicznym Kermadec-Tonga jest jednym z największych w ciągu ostatnich 30 lat, a być może nawet reprezentuje nową klasę stylu erupcyjnego, dla którego nie jest znany żaden niedawny precedens. Hunga Tonga – Hunga Ha'apai to bardzo niedawny stożek wulkaniczny, który powstał w latach 2014–2015 w wyniku erupcji, która połączyła starsze wyspy Hunga Tonga i Hunga Ha'apai, jedyne podziemne części większego i aktywnego podmorskiego wulkanu Hunga. Ostatnia faza erupcji rozpoczęła się w połowie grudnia 2021 r., kiedy wulkan po raz kolejny się przebudził, wytwarzając energiczną aktywność eksplozywną w płytkiej wodzie. Ten styl erupcji przeplatał się z okresami względnego spokoju przez większość pierwszych 12 dni stycznia 2022 r., podczas których odnotowano niewiele eksplozji. Następnie, w dniach 13 i 14 stycznia, wznowiono eksplozje w płytkiej wodzie, które naruszyły istniejący stożek. Eksplozje te zostałyby jednak przyćmione przez kolosalną, ale bardzo krótkotrwałą eksplozję (lub serię eksplozji).15 stycznia, rozpoczynając się kilka minut przed godziną 17:10 czasu lokalnego (4:10 UTC) Eksplozja była podobno słyszana aż na Alasce i wytworzyła jedną z najwyższych kolumn erupcyjnych w epoce satelitarnej, o wysokości 35-54 km, w wyniku czego powstała chmura parasolowa o średnicy ponad 650 km w maksymalnej rozciągłości. Jedną z najbardziej rzucających się w oczy cech tej eksplozji był jednak niezwykły wzór koncentrycznie rozchodzących się atmosferycznych fal akustyczno-grawitacyjnych, które ona wytworzyła Fale te rozchodziły się od powierzchni oceanu do jonosfery, a następnie kilkakrotnie przemieszczały się promieniście na zewnątrz świata. Szybko pojawiły się doniesienia, że archipelag Tonga został uderzony przez fale tsunami o wysokości do 15 m, a później w inne miejsca, aż do Japonii i Chile, z amplitudami fal odpowiednio około 1,0 i 1,5 m, co potwierdzają dane dotyczące pływów z całego Pacyfiku.
Erupcja wulkanu w 2022 r. była dużym wydarzeniem, które wyrzuciło aerozole i parę wodną na wysokość 53–57 km. Spowodowało to bezprecedensowe nawodnienie stratosfery, które ma wpływać na skład, strukturę termiczną, cyrkulację i dynamikę przez lata. Korzystając z pionowo wysokorozdzielczych obserwacji satelitarnych z zakrycia radiowego, skupiamy się na wpływie temperatury w stratosferze od erupcji w styczniu 2022 r. do grudnia 2023 r. Oddzielenie sygnałów erupcji Hunga od szerszej zmienności stratosfery ujawnia silne, utrzymujące się chłodzenie radiacyjne do -4 K w tropikalnej i subtropikalnej środkowej stratosferze od początku po erupcji do połowy 2023 roku, co wyraźnie odpowiada rozkładowi pary wodnej.
Zmienność temperatury w stratosferze jest regulowana przez wiele różnych czynników, w tym zmiany promieniowania słonecznego, czynniki promieniście aktywne, takie jak ozon i gazy cieplarniane, a także silne naturalne tryby zmienności, takie jak oscylacja quasi-dwuletnia (QBO) i cyrkulacja Brewera-Dobsona (BDC). Zdarzenia ekstremalne, takie jak duże pożary lasów nagłe ocieplenia stratosfery i erupcje wulkanów, może jednak mieć również głęboki i długotrwały wpływ na temperaturę, skład i dynamikę stratosfery. Podczas gdy dobrze udokumentowane duże erupcje, takie jak El Chichón w 1982 r. i Pinatubo w 1991 r., wykazały znaczące skutki, erupcja wulkanu Hunga na południowym Pacyfiku (20,5°S, 175,4°W) w połowie stycznia 2022 r. stanowiła bezprecedensowe wydarzenie, które znacznie różni się od poprzednich dużych erupcji wulkanicznych
Erupcja ustanowiła nowy rekord wysokości pióropusza wulkanicznego i wysłała aerozole i gazy śladowe na wysokość do 57 km. Emisja dwutlenku siarki (SO2) oszacowano początkowo na około 0,4–0,5 Tg a później przyjęto 1,5 Tg, co można porównać do raczej niewielkiej erupcji wulkanu.
Jako erupcja podmorska, Hunga wstrzyknęła również znaczne ilości pary wodnej bezpośrednio do stratosfery, co spowodowało bezprecedensowe nawodnienie stratosfery
Dane obserwacyjne z Microwave Limb Sounder (MLS) wskazują na proporcje mieszania pary wodnej do 350 ppmv, podczas gdy profile Radio Occultation (RO) pokazują nawet lokalne proporcje mieszania przekraczające 1000 ppmv (w niektórych miejscach do 3500 ppmv) na wysokości około 25-35 km. To wstrzykiwanie pary wodnej doprowadziło do znacznego globalnego wzrostu zawartości wody w stratosferze o około 8 do 13%.
Erupcja wywarła znaczący i trwały wpływ na skład i dynamikę globalnej stratosfery, szczególnie na półkuli południowej. To sprawia, że jest to jedno z najważniejszych wydarzeń klimatycznych w ostatnich dziesięcioleciach wpływa również na globalne temperatury powierzchni, powodując dodatnie wymuszanie radiacyjne netto. W stratosferze zmiany obejmują potencjalne chłodzenie radiacyjne spowodowane zwiększonym poziomem pary wodnej, a także zmiany poziomów ozonu w stratosferze i związanych z nimi gazów śladowych.
Erupcja wulkanu Hunga na początku 2022 roku spowodowała znaczne perturbacje temperatury w stratosferze, zaobserwowane wkrótce po zdarzeniu i trwające ponad 1 rok, aż para wodna została przetransportowana powyżej środkowej stratosfery. Wraz z sygnałami związanymi z erupcją widoczne są naturalne tryby zmienności, takie jak QBO w regionie równikowym i dynamiczne sprzężenie ze zmiennością na dużych szerokościach geograficznych. Interpretacja sygnałów związanych z Hunga wymaga starannego rozważenia naturalnych trybów zmienności przejawiających się w różnych skalach czasowych.
Badania wskazują na znaczący i trwały wpływ erupcji Hunga na strukturę termiczną stratosfery. Świadczą o tym kilka kluczowych ustaleń.
Krótko po erupcji można zaobserwować dipol temperatury podążający za wysokościową ewolucją pary wodnej z ochłodzeniem powyżej i ociepleniem poniżej maksimum pary wodnej. Podczas gdy dane RO przeszacowują strukturę dipola w pierwszych dniach po erupcji ze względu na ekstremalną ilość pary wodnej, struktura dipolowa staje się również wyraźnie widoczna w pomiarach temperatury MLS.
Struktura dipolowa została również zasymulowana w badaniach modelowych z wykorzystaniem Modelu Klimatu Społeczności Całej Atmosfery (WACCM), gdzie przypisuje się ją przede wszystkim wymuszaniu długofalowemu, biorąc pod uwagę wpływ pary wodnej i aerozoli.
Po miejscowym ochłodzeniu bezpośrednio po erupcji następuje rozległe ochłodzenie w dolnej stratosferze tropikalnej i subtropikalnej, które rozpoczyna się w połowie lutego 2022 r. i ściśle pokrywa się z rozkładem pary wodnej. że Chłodzenie radiacyjne parą wodną jest głównym czynnikiem powodującym obserwowane ujemne anomalie temperatury w tropikach i subtropikach między lutym 2022 r. a marcem 2023 r. Dotyczy to również niezwykle silnej anomalii ujemnej wynoszącej około -4 K, która manifestuje się w tropikalnej środkowej stratosferze pod koniec 2022 r. i na początku 2023 r. Po uwzględnieniu naturalnej zmienności, anomalie te są najsilniejsze w tropikalnej i subtropikalnej środkowej i dolnej stratosferze w całym szeregu czasowym, począwszy od 2005 roku.
Symulacje modelowe pokazują, że niektóre anomalie temperatury, takie jak ochłodzenie na wysokich południowych szerokościach geograficznych i związane z tym ocieplenie w tropikalnej środkowej stratosferze między czerwcem a październikiem 2022 r., mają również komponent dynamiczny, ponieważ erupcja Hunga wpłynęła na BDC i siłę wiru polarnego Utrzymująca się para wodna w środkowej stratosferze i związane z tym ciągłe ochłodzenie w tropikach do marca 2023 r. mogły również wpłynąć na upwelling BDC.
W podsumowaniu tego badania przeanalizujemy to co najważniejsze
Erupcja Hunga wpłynęła na klimat na półkuli południowej w ciągu następnych 2 lat. W ciągu roku po erupcji efekt chłodzenia spowodowany aerozolami wulkanicznymi odbijającymi światło słoneczne w przestrzeń kosmiczną był silniejsze niż ocieplenie spowodowane przez parę wodną zatrzymującą ciepło w atmosferze. Jednak większość skutków wulkanu zniknęła do końca 2023 roku.
Erupcja wulkanu Hunga wniosła do stratosfery około 150 megaton pary wodnej – ilość tak wysoką, że podniosła globalny poziom par wodnej w stratosferze o około 10%. Ten potężny zastrzyk wody obniżył temperaturę w tropikalnej stratosferze o 4°C w marcu i kwietniu 2022 roku. Z kolei to tymczasowe ochłodzenie stworzyło wtórny wzorzec cyrkulacji, który doprowadził do obniżenia poziomu ozonu w 2022 roku. Erupcja Hunga uwolniła również od 0,5 do 1,5 megatony dwutlenku siarki do stratosfery. Dwutlenek siarki wytwarza aerozole siarczanowe, które odbijają światło słoneczne i mogą powodować zmniejszenie powierzchniowego wymuszania radiacyjnego lub różnicy między promieniowaniem przychodzącym i wychodzącym. Może to prowadzić do globalnego ochłodzenia, jeśli ładunek aerozolu jest wystarczająco duży, tak jak to miało miejsce w przypadku erupcji góry Pinatubo w 1991 roku, która uwolniła około 20 megaton dwutlenku siarki. Ładunek aerozolu Hunga nie był zbyt duży, a jego skutki ograniczały się głównie do półkuli południowej w 2022 i 2023 roku.
Chociaż erupcja wpłynęła na krótki czas na równowagę radiacyjną Ziemi, zmiana ta była bardzo mała: globalny spadek strumienia promieniowania o mniej niż 0,25 wata na metr kwadratowy w okresie 2 lat, zanim powrócił do poziomu sprzed erupcji. (Na całym świecie powierzchnia Ziemi, oceany i atmosfera pochłaniają średnio około 240 watów energii słonecznej na metr kwadratowy w ciągu roku). Ta krótka zmiana oznacza, że erupcja Hunga mogła spowodować lekkie ochłodzenie na półkuli południowej.
Para wodna w stratosferze ma dwa główne skutki. Po pierwsze, pomaga w reakcjach chemicznych, które niszczą warstwę ozonową, a po drugie, jest bardzo silnym gazem cieplarnianym.
Warto zauważyć, że był to jedyny rok, w którym spodziewalibyśmy się jakiegokolwiek wpływu erupcji wulkanu na dziurę ozonową. Do tego czasu para wodna zdążyła dotrzeć do stratosfery polarnej nad Antarktydą, a w późniejszych latach nie będzie już wystarczająco dużo pary wodnej, aby powiększyć dziurę ozonową.
Ponieważ dziura ozonowa trwała do końca grudnia, latem 2024 roku nadeszła pozytywna faza południowego trybu pierścieniowego. Dla Australii oznaczało to większe prawdopodobieństwo wilgotnego lata, co było dokładnie odwrotne od tego, czego większość ludzi spodziewała się po ogłoszeniu El Niño.
Jeśli chodzi o średnie temperatury globalne, które są miarą tego, jak dużych zmian klimatycznych doświadczamy, wpływ Hunga Tonga jest bardzo mały, tylko około 0,015 stopnia Celsjusza.W niektórych regionach planety występują jednak pewne zaskakujące, trwałe skutki.
Dla północnej połowy Australii modele przewidują chłodniejsze i bardziej wilgotne niż zwykle zimy do około 2029 roku. W Ameryce Północnej przewiduje cieplejsze niż zwykle zimy, podczas gdy w Skandynawii ponownie przewiduje mroźniejsze niż zwykle zimy.
Wydaje się, że wulkan zmienia sposób, w jaki niektóre fale przemieszczają się przez atmosferę. A fale atmosferyczne są odpowiedzialne za dynamikę atmosfery które bezpośrednio wpływają na naszą pogodę. Ważne jest, aby wyjaśnić, że jest to tylko jedno badanie i jeden szczególny sposób badania, jaki wpływ może mieć erupcja Hunga Tonga na naszą pogodę i klimat.
Oczywiście nie możemy stwierdzić, że ocieplenie było spowodowane przez wulkan, ale jasne jest, że jest on zdecydowanie najbardziej prawdopodobnym podejrzanym, nie uwzględniono również żadnych innych efektów, takich jak cykl El Niño–La Niña.
Powódź która nawiedziła nas we wrześniu, ocieplenie oceanów MHW, oraz zmiany klimatyczne i przyszłość naszego klimatu w następnym wydaniu.