Vulkanismus

Wirkung von explosiven Vulkanausbrüchen auf Stratosphäre und Troposphäre

Unter Vulkanismus versteht man im Allgemeinen alle Phänomene, die mit dem Aufsteigen von Magma aus dem Erdmantel an die Erdoberfläche zusammenhängen. Meistens sind diese an bestimmte Regionen gebunden, bei denen verschiedene Platten der Erdkruste aufeinandertreffen, wie Subduktionszonen oder Rücken. Die ausgestoßenen Materialien beinhalten sowohl feste (Bombe, Lapilli, Bimsstein, Aschen), flüssige (Lava, Lahar, Geysir, Maar) als auch gasförmige (vulkanisches Gas, Fumarole) Stoffe. Nicht selten treten Mischformen der eruptiven Begleiterscheinungen auf wie z. B. die verheerenden pyroklastischen Ströme. Das sind sehr heiße und mit Partikeln beladene Luftmassen mit tödlicher Wirkung, die sich anfangs am Boden entlang ausbreiten. Einen nennenswerten Einfluss auf das globale Klimasystem haben jedoch nur explosive Vulkanausbrüche, da dann große Mengen von Partikeln (Aerosole) bis in die Stratosphäre geschleudert werden können.

Auswirkungen explosiver Vulkanausbrüche auf das Klimasystem

Der vierte Sachstandsbericht des IPCC unterscheidet vier Typen von Auswirkungen, die die Freisetzung vulkanischer Aerosole haben kann:

1. Eine direkte Beeinflussung der Strahlungsbilanz.
   Dies beinhaltet die Rückstreuung einfallenden Sonnenlichts sowie die Absorbtion langwelliger Strahlung. Der Rückstreuung durch Sulfataerosole kommt dabei eine entscheidende Bedeutung zu: Sulfataerosole entstehen etwa innerhalb eines Monats nach einem Ausbruch durch die Oxidation in die Atmosphäre gelangter Schwefelgase. Diese entfalten dann aufgrund der Rückstreuung des Sonnenlichts eine abkühlende Wirkung, verbleiben aber nur ein bis wenige Jahre in der Atmosphäre, bis sie zurück in die Troposphäre gelangen und dort ausgewaschen werden. Die beiden entscheidenden Unterschiede zur Klimawirkung langlebiger Treibhausgase wie CO₂ sind damit, dass Vulkanausbrüche die Erde nahe der Oberfläche zum einen kühlen, zum anderen aber auch nur vergleichsweise kurz wirken. Eine langfristige durch Vulkanismus angetriebene Klimaveränderung wäre theoretisch also nur durch eine rasche, stetige Folge starker Vulkanausbrüche denkbar. Wie oben erwähnt, sind zudem aber auch andere Aerosole wirksam, die wie z.B. Rußpartikel Strahlung absorbieren und damit die Stratosphäre um sich herum erwärmen (siehe Bild).
   Eine weitere Rolle könnten Aschepartikel spielen, die aber nur eine Lebensdauer weniger Monate besitzen.

   

   Reaktion der Temperatur der unteren Stratosphäre auf explosive Vulkanausbrüche.

2. Aufgrund der räumlich sehr unterschiedlichen Verteilung der strahlungswirksamen Aerosole kommt es zu räumlich verschiedener Heizung und Kühlung der Atmosphäre, womit letztlich die Zirkulation beeinflusst wird. Dies geschieht zwar zunächst in der Stratosphäre, wo die Aerosole ihre Wirkung entfalten; die dort geänderte Zirkulation beeinflusst dann jedoch auch die bodennähste Schicht, die Troposphäre.
3. Es wird davon ausgegangen, dass die lokal forcierte Wirkung vulkanischer Aerosole Muster natürlicher Klimavariabilität wie die El Niño – Southern Oscillation (ENSO) oder die Nordatlantische Oszillation (NAO) beeinflussen können. Dabei kann es zur Auslösung, Verstärkung oder räumlichen Veränderung dieser Muster kommen. Beispielsweise beeinflusst ein Ausbruch den Temperaturunterschied zwischen Norden und Süden und kann damit eine positive Phase der Arktischen Oszillation anstoßen, die den borealen Breiten eine Erwärmung beschert, obwohl die direkte Wirkung der Aerosole eine Abkühlung bedeuten würde. Das räumliche Muster der Wirkung von Vulkanausbrüchen zu prognostizieren ist daher noch nicht in zuverlässiger Weise möglich, da zudem die Menge, Art und Verteilung der Aerosolpartikel dabei bekannt sein müsste.
4. Vulkanische Aerosole schaffen Oberflächen für zahlreiche chemische Reaktionen, die die Konzentration verschiedener Spurengase in der Atmosphäre steuern. Es zeigt sich daran beispielhaft, wie schwierig eine genaue Abschätzung dieser Effekte ist, da das Zusammenspiel vieler verschiedener Prozesse und Stoffe dabei angemessen simuliert werden müsste, denn auch die beeinflussten Spurengase entfalten wiederum ihre Wirkung in der Atmosphäre. Ein Beispiel ist der Abbau stratosphärischen Ozons, der über ein komplexes Zusammenspiel chemischer und dynamischer Effekte aus einem Vulkanausbruch resultieren kann.

Abschätzung der Wirkungen und Unsicherheiten

Die vielen Unsicherheiten bezüglich der Eigenschaften und Wirkungen vergangener Ausbrüche hängen damit zusammen, dass nur wenige Ausbrüche stattfanden, seit es zuverlässige Messmethoden gibt. Die wichtigsten explosiven Vulkanausbrüche der Neuzeit waren die des Tambora (1815), Krakatau (1860 und 1883), Agung (1963), El Chichon (1982) und Pinatubo (1991), wobei letzterer am weitaus besten dokumentiert ist. Heutzutage kommen dabei sowohl Satelliten als auch Bodenmessungen (z.B. mit Lidar) zum Einsatz. Über weiter zurückliegende Ereignisse lassen sich Schlussfolgerungen aus Eisbohrkernen ziehen, da vulkanische Aerosole in die Eisschilde eingelagert werden. Es bestehen dabei jedoch große Unsicherheiten, z.B. bezüglich der räumlichen Verteilung der Aerosole.

Um die genaue Wirkung eine Ausbruchs für die Zukunft abschätzen zu können, müssen Annahmen über die Menge, Größe und genaue Ausbreitung der freigesetzten Aerosole gemacht werden; auch diese Informationen sind nicht gut bekannt.

Insgesamt muss trotz aller Unsicherheiten im Detail festgehalten werden, dass die Gesamtwirkung von Vulkanen auf das Klimasystem von Modellen recht zutreffend wiedergegeben wird. Die durch einen starken Ausbruch verursachte Änderung der Strahlungsbilanz an der Tropopause, bei Einbeziehung aller Rückkopplungseffekte wie z.B. einer veränderten Bewölkung, entspricht dabei in etwa der Wirkung aller seit Beginn der Industrialisierung ausgestoßener Treibhausgase (allerdings mit umgekehrtem Vorzeichen, da Vulkane eine – kurzfristige! – Abkühlung bewirken).

Weblinks

• IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing
• Timmreck, Claudia (2010): Begrenzter Klimaeinfluss von extrem großen Vulkaneruptionen, MPI-M Forschungsbericht 2010

• Spektrum.de (27.10.2016): Supervulkane und die Folgen

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Kontakt: Dieter Kasang