Tulivuoret iskukylmentävät Maata

Vaikka Pinatubon purkaus ei ollut pahimmasta päästä, se antoi esimakua siitä, mitä vielä suuremmat purkaukset voivat tuoda tullessaan. Niitä on nimittäin odotettavissa. Tiedelehti Naturessa julkaisemassaan artikkelissa kuusi brittitutkijaa toteaa, että maapallon keskilämpötilan nousu voi – ehkä hieman yllättävästi – voimistaa vulkaanisen toiminnan viilentävää vaikutusta.

Tutkijat arvelevat, että lämpimämmässä ilmastossa Pinatubon purkauksen kaltainen tapahtuma laskee maapallon keskilämpötilaa asteen verran pitkäksi aikaa. Ja vielä suurempi tulivuorenpurkaus johtaa rajuun – neljän viiden asteen – kylmenemiseen.

Tulivuorenpurkausten ilmastoa viilentävä vaikutus voi kuulostaa hyvältä uutiselta, kun maapallon keskilämpötila on nousussa. Tosiasiassa haitat ovat hyötyjä suuremmat.

Pisarat heijastavat auringonvaloa takaisin

Vulkaaninen toiminta kylmentää maapalloa, koska vapautuva rikkidioksidi reagoi ilmakehässä veden ja hapen kanssa. Silloin syntyy pieniä rikkihappopisaroita, jotka heijastavat auringonsäteitä ja samalla energiaa takaisin avaruuteen.

Jotta rikkihappopisarat vaikuttaisivat pitkäaikaisesti ilmastoon, niiden pitää päätyä yläilmakehään, joka alkaa – vaihdellen leveysasteen ja vuodenajan mukaan – 8–16 kilometrin korkeudesta. Vaatimus täyttyy ainoastaan rajuissa tulivuorenpurkauksissa.

Alailmakehä on lämmin ja kostea: 99 prosenttia ilmakehän vesihöyrystä sijaitsee ilmakehän alimmassa osassa, jossa sääilmiöt syntyvät. Kun rikkihappo jää alailmakehään, se häviää ilmasta sateiden mukana. Yläilmakehä on sen sijaan kylmä ja kuiva, ja siellä rikkihappo voi säilyä viidestä kymmeneen vuotta.

Geofyysikko Thomas J. Aubryn johtaman brittiläisen tutkimusryhmän mukaan ilmaston lämpeneminen nostaa ala- ja yläilmakehän rajaa. Muutoksesta seuraa, että pienten ja keskisuurten tulivuorenpurkausten ilmastoa viilentävä vaikutus heikkenee, koska yläilmakehään päätyy entistä vähemmän rikkihappopisaroita.

Tutkimus paljasti kuitenkin myös, että voimakkaassa vulkaanisessa toiminnassa syntyvä purkauspylväs kasvaa. Niinpä yläilmakehässä voi esiintyä paljon pisaroita. Koska maapallon keskilämpötilan nousu voimistaa yläilmakehän virtauksia, pisarat kulkeutuvat entistä korkeammalle ja leviävät tehokkaammin ympäri maapalloa.

Kun ilmasto on lämpimämpi, vulkaanista alkuperää olevasta rikkidioksidista syntyy enemmän pieniä rikkihappopisaroita. Ne muodostavat yhdessä tehokkaamman heijastimen, sillä niiden pinta-ala on suuri suhteessa niiden tilavuuteen.

Lisäksi pienet pisarat voivat leijua kauemmin yläilmakehässä. Kumpikin ominaisuus voimistaa osaltaan viilentävää vaikutusta.

Viileneminen voimistuu 60 prosenttia

Tutkijat yhdistivät tulivuorenpurkaus- ja ilmastomallit. Näin huomioon otettiin paitsi kasvihuonekaasut myös sumumaiset aerosolit, joihin myös heijastimina toimivat rikkihappopisarat kuuluvat.

Mallinnusten valossa näyttää siltä, että keskimäärin 50–100 vuoden välein tapahtuvien suurten tulivuorenpurkausten ilmastovaikutukset voimistuvat 15 prosenttia. Muutos voi vaikuttaa pieneltä, mutta siitä syntyy yhdessä muiden ilmastonmuutostekijöiden kanssa pelottava kokonaisuus.

Meteorologi John Fasullon johtama kuuden yhdysvaltalaisen tutkijan ryhmä totesi Naturessa vuonna 2017 julkaistussa artikkelissaan, että valtameret kerrostuvat voimakkaammin ilmaston lämmetessä. Siitä seuraa, että vesimassat sekoittuvat tulevaisuudessa vähemmän.

Kun ilmasto tulivuorenpurkauksen jälkeen viilenee, pintavesi jäähtyy. Normaalisti kylmä vesi vajoaa ja tilalle nousee lämpimämpää vettä. Tulevaisuudessa valtamerien on siis vaikeampi kumota tulivuorenpurkauksen viilentävä vaikutus. Tutkijakuusikon mukaan merien voimakkaampi kerrostuminen voi vahvistaa suurten purkausten viilentävää vaikutusta jopa 40 prosenttia.

Thomas J. Aubry ja hänen tutkijatoverinsa ovat yrittäneet määrittää merien vaikutuksen. Laskelmien mukaan tulivuorenpurkausta seuraava ilmaston viileneminen voimistuu peräti 60 prosenttia, kun kaikki osatekijät otetaan huomioon.

Toisin sanoen Pinatubon vuoden 1991 purkauksen kaltainen tapahtuma laskee keskilämpötilaa asteen 0,6 asteen sijasta. Suuremmat tulivuoret vääntävät termostaattia vielä ronskimmin.

Tulivuorenpurkaus aiheutti nälänhädän

Vuoden 1800 jälkeen ihmiskunta on kokenut kerran ilmaston rajun kylmenemisen vakavat seuraukset.

Indonesiassa sijaitseva Tambora alkoi purkautua 10. huhtikuuta 1815 ja myrkytti ilmakehää noin 100 miljoonalla tonnilla rikkihappoa. Maapallon keskilämpötila kääntyi laskuun ja laski seuraavina vuosina jokseenkin tasan asteen.

Seuraukset olivat vakavat. Euroopassa sato tuhoutui ja nähtiin nälkää. Myös Kiinan pohjoisosissa kylmyys aiheutti kadon ja kasvit ja kotieläimet kärsivät. Lounais-Aasiassa satoi rankasti ja syntyi laajoja tulvia ja paljon kuolonuhreja vaatineita koleraepidemioita.

Geofyysikot ovat löytäneet menneisyydestä kuitenkin vielä paljon pahempia tulivuorenpurkauksia. Niiden vaikutuksista on saatu tietoa muun muassa analysoimalla kairausnäytteitä, joita on otettu Grönlannin ja Etelämantereen jäätiköistä. Jääkairasydämet paljastavat nimittäin melko tarkasti, millaisissa ilmasto-olosuhteissa jää muodostui.

Esimerkiksi Alaskassa sijaitsevan Okmokin purkautuminen vuonna 43 eaa. pistää silmään. Purkauksen jälkeen pohjoisella pallonpuoliskolla koettiin yksi kylmimmistä jaksoista sitten viime jääkauden, jonka päättymisestä on noin 11 700 vuotta. Tutkimusten mukaan vuosi 43 eaa. oli toiseksi ja vuosi 42 eaa. kahdeksanneksi kylmin viimeisten 2 500 vuoden aikana. Jäänäyte- ja puiden vuosirengassarjojen vertailu muun muassa Pohjolan osalta osoittaa lämpötilan laskeneen tuolloin peräkkäisinä vuosina kolme ja 2,5 astetta.

Kun otetaan huomioon nykyisen ilmastonmuutoksen vaikutus viilenemiseen, Okmokin purkauksen kaltainen tapahtuma voisi siis yhtäkkiä tehdä Pohjolan ilmastosta 3–5 astetta kylmemmän vuosikausiksi. Luonto ja maatalous kärsisivät näin suuresta muutoksesta.

Tutkimukset osoittavat lisäksi, että maapallon keskilämpötilan nousu uhkaa vilkastuttaa vulkaanista toimintaa, joten tulivuorenpurkauksia on odotettavissa entistä enemmän. Brittiläinen geologi Bill McGuire on saanut selville, että vulkaaninen toiminta on 2–6 kertaa niin vilkasta ilmaston muuttuessa kuin sen pysyessä vakaana.

Jään sulaminen lisää magmaa

McGuire on tutkinut muun muassa Islannin ja Välimeren ympäristön tulivuoria. Näillä alueilla vulkaaninen toiminta oli vilkkaimmillaan 6 000–17 000 vuotta sitten, jolloin viime jääkauden laajat jäätiköt olivat pääosin sulaneet ja merenpinta nousi yli 100 metriä.

Yksi syy tulivuorenpurkausten yleistymiseen on jään hupenemisesta seuraava paineenmuutos. Kun maankuoreen kohdistuva kuormitus pienenee jäätikön vetäytyessä, kallion sulamispiste laskee. Niinpä syntyy enemmän magmaa eli sulaa kiviainesta ja tulivuorenpurkauksesta tulee entistä todennäköisempi.

Tämä syysuhde on olennainen ilmaston lämmetessä. Muun muassa syksyllä 2017 toimintansa lopettaneen GRACE-satelliitin mittausten ansiosta tiedetään, että Grönlannin mannerjäätikkö kutistuu 100–550 miljardin tonnin vuosivauhtia.

Sulavat jäätiköt voivat edistää tulivuorenpurkauksia myös muuten kuin lisäämällä magmaa.

Jää vakauttaa painollaan paikallisesti maanpinnan tuntumassa olevia magmasäiliöitä. Kun jäätikkö sulaa, paine pienenee magmasäiliössä ja syntyy haihtuvia aineita. Ne ovat suuressa paineessa kivisulaan sisältyviä aineksia, jotka kaasuuntuvat, kun paine pienenee.

Kaasuuntuminen nostaa painetta magmasäiliössä räjähdysmäisesti. Silloin tulivuori alkaa kiehua yli: sen sisältö pursuu ulos kuin limsapullosta, jota on ravistettu ennen avaamista.

Samalla tavalla vaikuttavat suuret sulamis- ja sadevesimäärät, sillä repeämien ja halkeamien kautta magmasäiliöön pääsevä vesi höyrystyy. Maapallon keskilämpötilan nousu lisää ja voimistaa sateita joissakin maanosissa.

Vaaralliset tulivuoret uinuvat

Tutkijat ovat siis saaneet uutta ja huolestuttavaa tietoa tulivuorten mahdollisuuksista kylmentää äkillisesti ilmastoa.

Silmällä pidettävien tulivuorten luettelo on pitkä. Ongelmallista on kuitenkin se, että kaikkein vaarallisimpia tulivuoria ei välttämättä edes tunneta. Todella mittaviin purkauksiin kykenevät tulivuoret purkautuvat nimittäin erittäin harvoin ja ne valmistautuvat hyvin huomaamattomasti seuraavaan purkaukseen.

Ongelmaa käsitteli kolme yhdysvaltalaista geologia Geosphere-artikkelissaan vuonna 2018. He pyrkivät löytämään kaikki ne tulivuoret, jotka purkautuvat todennäköisimmin VEI-indeksiä seitsemän vastaavalla voimalla. Kahdeksanportainen VEI on ikään kuin vulkaanisen toiminnan Richterin asteikko.

VEI eli volcano explosivity index ilmaisee tulivuorenpurkauksen räjähtävyyden logaritmisesti: seuraava porras on – Richterin asteikon tavoin – kymmenkertainen edelliseen verrattuna.

VEI-indeksin seitsemän saavia tulivuorenpurkauksia tapahtuu vakaan ilmaston aikana kaksi kolme kertaa 1 000 vuodessa, mutta ne ovat siis todennäköisempia ilmaston muuttuessa niin kuin nykyään. Näin rajuilla tulivuorenpurkauksilla on vakavia seurauksia tuhoisista laavavirroista lämpötilan laskuun jopa 10 000 kilometrin säteellä.

Viimeisin superkolossaalinen tulivuorenpurkaus oli Tamboran purkaus vähän yli 200 vuotta sitten. Tällaisessa tapahtumassa purkautuu yli 100 kuutiokilometriä ainetta. Joukossa on esimerkiksi 60 miljoonaa tonnia rikkiä.

Geologikolmikko määritti ensi alkuun kuusi ominaisuutta, jotka tekevät tulivuoresta sellaisen, että sen purkaus voi saavuttaa VEI-indeksin seitsemän. Esimerkiksi tulivuoren pitää olla purkautunut aiemmin näin voimakkaasti ja sen magman tulee olla räjähtävintä laatua.

Luettelo on huolestuttavan pitkä, ja sen yli sadasta tulivuoresta 11 sijaitsee Euroopassa – lähinnä siellä, missä Afrikan laatan pohjoisosa työntyy Eurooppaa vasten, kuten Turkissa, Italiassa ja Kreikassa, tunnetuimpina esimerkkeinä Santoríni ja Kos.

Nykyajan suurimman ilmastohuolen, maapallon keskilämpötilan nousun, lisäksi on siis hieman yllättäen pelättävä sitä, että ilmasto kylmenee äkillisesti. Rajujen tulivuorenpurkausten seuraukset voivat olla jotain aivan muuta kuin viileän raikkaita tuulahduksia.

Ihmiskunnan lisäksi luonto yrittää jatkuvasti sopeutua ilmastonmuutokseen. Viljelykasveja jalostetaan ja vaihdetaan, ja monet eläin- ja kasvilajit hakeutuvat uuteen elinympäristöön. Siksi nopea ilmaston kylmeneminen on kova kolaus sekä maataloudelle että sopeutumispaineen stressaamille ekosysteemeille.

Jos Okmokin vuoden 43 eaa. purkaus antaa osviittaa, ilmaston kylmenemisellä on kauaskantoisia seurauksia. Tutkijoiden mukaan purkauksella oli osuus sekä Rooman tasavallan ajan että Egyptin hellenistisen kauden päättymisessä.