Tulivuorten vaikutusta ilmastoon on tutkittu kauan. Tulivuorten tutkimukset keskittyivät aluksi yksittäisiin aktiivisiin tulivuoriin ja menneisyyden tulivuorten aktiivisuuteen. Tulivuorten vaikutusta ilmastoon alettiin tutkia toden teolla 1800-luvulla. Tämän jälkeen ala on kehittynyt voimakkaasti ja viimeisten kahdenkymmenen vuoden aikana ilmaston ja tulivuorten yhteyttä on todella alettu ymmärtää. Kiitos tästä kuuluu muiden muassa lisääntyneelle kiinnostukselle ilmastonmuutoksen myötä, parantuneille havaintomenetelmille (mm. satelliittihavainnot, globaali tulivuorten seurantajärjestelmä ja jääkairanäytteet) ja ilmastomallinnuksen kehitykselle.
Tulivuori Ecuadorissa. Kuva: Esko Pettay.
Ensimmäiset tunnetut maininnat tulivuorten vaikutuksesta ilmastoon liittyvät tulivuori Etnan purkaukseen vuonna 44 eaa. Tästä raportoidessaan Plutarkos ja muut kertoivat purkauksen himmentäneen Auringon ja ehdottivat sitä seuranneen viilenemisen kuihduttaneen sadon ja aiheuttaneen nälänhätää Roomassa ja Egyptissä. Seuraava tunnettu maininta tulivuorten ja ilmaston yhteydestä on vasta vuodelta 1784, kun Benjamin Franklin ehdotti vuoden 1783 purkauksen Lagagigar-tulivuorella Islannissa aiheuttaneen sitä seuranneen kylmän kesän ja talven Euroopassa.
Humphreys tutki tulivuorten purkauksien ja lämpötilan yhteyttä 1900-luvun alkupuolella ja ehdotti tulivuorten viilentävän vaikutuksen johtuvan stratosfäärin aerosoleista. Mitchell tutki myös lämpötilan ja tulivuorten yhteyttä 1900-luvun puolivälin jälkeen. Heillä kummallakin tutkimuksia rajoitti saatavilla olevan lämpötiladatan vähäisyys. El Chichón -tulivuoren purkaus vuonna 1982 ja Pinatubon purkaus vuonna 1991 tarjosivat mahdollisuuden tutkia tulivuorien ja ilmaston yhteyttä kehittyneemmillä menetelmillä ja niistä saatiinkin paljon uutta ja tarkempaa tietoa.
Tulivuoren purkaukset syytävät ilmakehään valtavat määrät kaasuja ja aerosolihiukkasia. Nämä vaikuttavat maapallon säteilytasapainoon ja ilmastoon. Tulivuoren purkauksista syntyvä sulfaattipilvi vaikuttaa huomattavasti sekä lyhytaaltoisen (esim. näkyvä valo) ja pitkäaaltoisen (lämpösäteily) säteilyn kulkuun ilmakehässä. Tämä vaikuttaa maapallon pinnan lämpötilaan suoran säteilyvaikutuksen ansiosta ja epäsuorasti ilmakehän kiertoliikkeiden muutoksien kautta. Merkittävin vaikutus on sulfaattiaerosolien kyky estää Auringon säteilyä, millä on maapallon pintaa viilentävä vaikutus.
Pienistä tulivuorien purkauksista purkautuu verrattain vähän vulkaanisia aineita troposfääriin. Sulfaattiaerosolit säilyvät troposfäärissä tyypillisesti vain muutaman päivän, joten sellaisilla tulivuoren purkauksilla on vain lyhytaikainen ja vähäinen vaikutus paikalliseen säähän. Joillakin erityisen voimakkailla troposfääripurkauksilla voi kuitenkin olla myös pieni ilmastollinen vaikutus. Tulivuorien troposfääripurkauksista poiketen ihmisen sulfaattipäästöt vaikuttavat troposfäärissä voimakkaasti ilmastoon, koska niitä päästetään jatkuvalla syötöllä paljon. Ihmisen toiminta aiheuttaa siis troposfääriin sulfaatin jatkuvan läsnäolon, kun taas tulivuorien sulfaatit ovat siellä vain vähän aikaa.
Suurista tulivuoren purkauksista saattaa purkautua vulkaanisia aineita stratosfääriin asti. Sellaisella purkauksella on voimakkaampi vaikutus ilmastoon, koska vulkaanisia aerosoleja on silloin yleensä paljon ja ne pysyvät stratosfäärissä paljon kauemmin kuin troposfäärissä. Lisäksi stratosfäärissä tapahtuvien ilmavirtausten ansiosta vulkaaniset aerosolit leviävät laajalle alueelle, jopa koko maapallolle erityisesti tropiikissa tapahtuvien purkauksien osalta. Todella voimakkaat purkaukset voivat viilentää maapallon pintaa ja troposfääriä huomattavasti.
Suuria tulivuoren purkauksia tapahtuu verrattain harvoin, joten tulivuorien ilmastovaikutusten tukimuksessa on tärkeää tutkia menneitä tulivuoren purkauksia. Tulivuorien yksi hyvä puoli on se, että niiden purkaukset ovat näkyviä tapahtumia, joten menneisyydessä tapahtuneiden purkausten ajankohdista on jäänyt paljon tietoa historiankirjoihin. Tämän ansiosta menneisyyden tulivuorien ilmastovaikutuksen tutkiminen on helpompaa. Lisäksi toki tarvitaan myös tietoa menneistä ilmasto-olosuhteista tunnettujen tulivuoren purkauksien ajalta.
Menneistä tulivuorenpurkauksista on kirjoitettu paljon. Esimerkkinä mainittakoon Vesuviuksen purkaus, joka hautasi roomalaisen kaupungin Pompeijin vuonna 79. Historialliset dokumentit ovat kuitenkin vajavaisia. Vain voimakasta tuhoa aiheuttaneet purkaukset on kirjattu ylös. Syrjäisten paikkojen purkauksia kirjattiin ylös harvemmin silminnäkijöiden puuttuessa. Lisäksi kirjoitettu historia ei ulotu monissa paikoissa kovin pitkälle menneisyyteen eivätkä kuvaukset ole tieteellisesti tarkkoja (kuvaukset ovat yleensä vain kuvaavia ilman numeerista tietoa). Vasta 1800-luvun puolivälissä tulivuorista alettiin pitää kirjaa järjestelmällisesti sekä täsmällisesti ja 1950-luvulla aloitettiin maailmanlaajuinen seurantajärjestelmä.
Tulivuoria voidaan tutkia myös purkauksen jälkeen. Purkauksen voimakkuutta voidaan arvioida syntyneen kraatterin koon perusteella sekä aiheutuneen tuhkalaskeuman laajuudella. Purkautuneen vulkaanisen aineksen koostumuksesta voidaan määritellä purkauksen tyyppi sekä purkauksen välitön vaikutus ympäristöön.
Tulivuorien aktiivisuuden proksit
Silminnäkijäraportteihin perustuvat historiankirjat ja tulivuorien tutkimus jälkeenpäin tuottavat vaillinaisen tulivuorirekisterin. Kuten yllä todettiin, kaikkia purkauksia ei huomata, jolloin ne jäävät kirjaamatta ylös ja tutkimatta. Tässä ongelmassa auttavat niin sanotut proksit, eli tulivuorenpurkauksien epäsuorat indikaattorit. Tulivuorien tutkimisessa kaksi tärkeää proksia ovat jääkairanäytteet jäätiköistä ja puiden vuosirenkaat.
Tulivuorten purkauksissa ilmakehään purkautuva materiaali laskeutuu jossain vaiheessa maanpinnalle. Materiaali leviää hyvin laajalle alueelle, joten tulivuorien materiaalia laskeutuu myös etelänavan ja Grönlannin jäätiköille. Jäälle laskeutuva tulivuoren materiaali peittyy lumeen ja jäätikön kasvaessa entisten aikojen tulivuorten purkaukset jäävät uusien jääkerrosten alle. Jälki entisten aikojen tulivuorten purkauksista siis säilyy jäätikön jäässä ja tieto purkauksista on mahdollista selvittää jäätiköstä poratuista kairanäytteistä. Kairanäytteistä mitataan happamuus ja/tai sulfaattipitoisuus, joiden avulla menneiden tulivuorten purkausten signaali saadaan näkyviin.
On kuitenkin paljon tekijöitä, jotka vaikeuttavat tulivuorten purkausten näkymistä kairanäytteiden happamuusmittauksissa. Esimerkiksi näytteessä voi olla läsnä muita happoja, kuten typpihappoa, tai emäksinen pöly saattaa neutraloida vulkaaniset hapot. Näiden ongelmien takia sulfaattimittaukset ovatkin luotettavampia tulivuorten purkausten indikaattoreita. Sulfaattilähteitä on tulivuorten lisäksi vain vähän ja sulfaattien mittaus pystytään nykyään tekemään nopeasti ja tulos on tarkka. Nykyään meillä on jääkairanäytteistä mitattuja tulivuoritoiminnan mittaussarjoja, jotka ulottuvat yli 100 000 vuoden taakse menneisyyteen.
Jääkairauksista saadaan tulivuorten aktiivisuudesta kertova mittaussarja, joka on moniin muihin tapoihin verrattuna parempi siinä mielessä, että jääkairauksista saadaan mitattua muutakin kuin pelkästään purkauksien ajoitus. Jäänäytteistä mitattavan tulivuoriperäisten sulfaattien pitoisuuden perusteella saadaan määritettyä tulivuorten aiheuttama ilmakehän optinen syvyys, jonka voidaan katsoa esittävän tulivuorten ilmastopakotetta. Tähän liittyy kuitenkin huomattavia ongelmia, joten näin saatua tulivuorten pakotetta on tulkittava varoen. Sulfaattipitoisuuksista on esimerkiksi vaikea erottaa joidenkin harvojen stratosfääripurkausten vaikutusta monien troposfääripurkausten vaikutuksesta (erityisesti silloin kun pienemmät troposfääripurkaukset ovat tapahtuneet melko lähellä jääkairausnäytteen ottopaikkaa), joten tuloksena oleva pakote saattaa olla liian suuri.
Hiljattain on onnistuttu kehittämään menetelmä, jolla stratosfääri- ja troposfääripurkaukset voidaan erottaa toisistaan jääkairanäytteessä olevan sulfaatin isotooppien perusteella. Stratosfääripurkausten sulfaatin isotooppikoostumus on erilainen kuin troposfääripurkausten sulfaatin. Tämä johtuu siitä, että stratosfäärissä tapahtuu erilaisia kemiallisia prosesseja kuin troposfäärissä ja kyseiset prosessit jättävät jälkensä stratosfäärissä käyneeseen sulfaattiin.
Jääkairanäytteiden sulfaattimittauksiin liittyen on vielä kuitenkin paljon työtä tehtävänä. Tällä hetkellä sulfaattimittaussarjojen laatu kärsii huomattavasti kun mennään tuhatta vuotta kauemmas historiaan. Jääkairanäytteestä otetut peräkkäiset mittaukset ovat ajallisesti kaukana toisistaan ja lisäksi mittausten ajoituksen tarkkuus muuttuu huonommaksi kauemmas historiaan mennessä. Tässä asiassa on odotettavissa merkittäviä parannuksia tulevaisuudessa.
Tulivuorenpurkauksen aiheuttama viileneminen näkyy puiden kasvussa kapeampina vuosirenkaina erityisesti korkealla kasvavissa puissa. Jos lämpötila menee kasvukauden aikana pakkasen puolelle, se näkyy vuosirenkaassa vaurioituneina solukkona. Tällaisten ”pakkasenpuremien” vuosirenkaiden tunnistaminen on tärkeää muodostettaessa tulivuorten aktiivisuusmääritystä puiden vuosirenkaiden perusteella. Lisäksi vuosirenkaiden leveyden ja tiheyden tarkka mittaus on tärkeää.
Puiden vuosirenkaista on tehty tulivuorten aktiivisuuden mittaussarjoja muutaman tuhannen vuoden taakse menneisyyteen. Näitä voidaan käyttää jääkairanäytteiden tukena vahvistamaan tulivuorten aktiivisuuden mittaussarjoja erityisesti purkausten ajoituksen suhteen. Puiden vuosirenkaisiin perustuva mittaussarja ei kuitenkaan ole suora tulivuorten aktiivisuuden mittari, vaan pelkästään ilmastollisten olojen mittari. Monet muutkin asiat vaikuttavat puiden vuosirenkaiden ilmastovasteeseen, joten ne eivät ole niin luotettava tulivuorten aktiivisuuden indikaattori kuin jääkairanäytteistä saatavat sulfaattipitoisuuden mittaussarjat.
On olemassa muitakin tulivuorten aktiivisuuden epäsuoria mittaustapoja. Auringon säteilyn suorasta mittaamisesta maan pinnalta voidaan päätellä tulivuorten purkauksien ajankohtia. Hiukan erikoisempi menetelmä on päätellä tulivuorten purkauksien vaikutus vanhojen kuuhavaintojen perusteella. Tulivuorten purkaukset nimittäin vaikuttavat ilmakehän optisiin ominaisuuksiin ja siksi ne myös vaikuttavat siihen, millaisena kuu näkyy erityisesti täydellisen kuunpimennyksen aikana. Vanhoista kuunpimennyksen kuvauksista onkin määritelty menneiden tulivuorten purkauksien ajoitus vuosille 1671-1881.
Tulivuorten vaikutus ilmastoon
Tulivuoren eri tavat vaikuttaa ilmastoon.
Tulivuoren purkauksesta purkautuva materiaali säilyy ilmakehässä vain vähän aikaa, joten tulivuorten purkauksen välitön vaikutus ilmastoon kestää vain muutaman vuoden. Meillä on kuitenkin todisteita myös tulivuorten pitkäaikaisesta vaikutuksesta ilmastoon. Esimerkiksi etelänavalta (Siple Dome) poratusta jääkairanäytteestä voitiin päätellä tulivuorilla olevan ilmastollisia vaikutuksia tuhansien vuosien aikaskaalalla. Toisaalta saman alueen toisessa näytteessä (EPICA Dome C) ei näkynyt minkäänlaista pitkän ajan vastaavuutta tulivuorten ja ilmaston välillä. Näiden kahden esimerkin perusteella on selvää, että tietomme tulivuorten pitkäaikaisesta vaikutuksesta ilmastoon on vielä hyvin epävarmaa.
Etelänavan jääkairanäytteissä ei näy kovin paljon mainitsemisen arvoista tulivuorenpurkausten esiintymistiheydessä lukuunottamatta niiden yleistä lisääntymistä viimeisen 2000 vuoden aikana. Grönlannin jääkairanäytteissä taas näkyy enemmän tulivuorenpurkauksia holoseenin alussa. Ero Grönlannin ja etelänavan tulivuorisarjoissa selittyy luultavasti paikallisilla tulivuorten purkauksilla. Grönlannin jäätiköllä on odotettavissa, että siellä näkyy esimerkiksi Islannissa ja Alaskassa tapahtuneet paljon pienemmät purkaukset kuin etelänavalla.
Tulivuorilla voi olla vaikutusta ilmastoon pitkällä aikavälillä, jos purkausten esiintymistiheys muuttuu. Lisäksi tiedetään, että ilmaston takaisinkytkentäprosessit voivat pidentää yksittäisen tulivuoren ilmastollista vaikutusta yli kymmeneen vuoteen joillakin alueilla.
Tulivuorten osuutta tunnettuihin ilmastonmuutoksiin, kuten keskiajan lämpökauteen ja pieneen jääkauteen, on tutkittu paljon. On ehdotettu, että pieni jääkausi johtui stratosfääripurkausten tiheämmästä esiintymisestä. Toisaalta jotkut tutkimukset ovat yhdistäneet pienen jääkauden Auringon aktiivisuuden muutoksiin. Tulivuorien esiintymistiheys oli vuosien 800 ja 1100 välillä pienempi kuin pienen jääkauden aikaan. Tämän perusteella on ehdotettu, että tulivuorten esiintymistiheyden muutos vaikutti osaltaan ilmaston muuttumiseen keskiajan lämpökaudesta pieneksi jääkaudeksi. Tulivuorten vaikutus voikin olla erityisen merkittävä silloin, kun ilmasto on jo muutenkin muuttumassa.
1800-luvun puolivälin jälkeen maapallon ilmasto on yleisesti ottaen lämmennyt. Ajoittain lämpenemisen on kuitenkin keskeyttänyt viilenevä jakso. 1900-luvun alkupuolella ilmasto lämpeni ja samaan aikaan oli hyvin vähän voimakkaita tulivuorenpurkauksia. Tulivuoret ovat siis saattaneet vaikuttaa vuosien 1910 ja 1940 välillä tapahtuneeseen lämpenemiseen. Toisaalta 1900-luvun jälkimmäisellä puoliskolla tapahtuneen lämpenemisen aikana tapahtui useita voimakkaita tulivuorenpurkauksia, mutta pientä heilahdusta lukuunottamatta lämpötila jatkoi nousuaan. Tämän perusteella fossiilisista polttoaineista peräisin olevan hiilidioksidin ilmastovaikutus on muuttunut hallitsevaksi luonnollisten ilmastonvaihteluiden, kuten esimerkiksi tulivuorten aiheuttamien, kustannuksella. 1900-luvun jälkimmäisen puoliskon suuret tulivuorenpurkaukset (esimerkiksi Pinatubo vuonna 1991) aiheuttivat vain hetkellisen viilenemisen maapallon ilmastoon yleisen lämpenemisen jatkuessa.
On myös ehdotettu, että tulivuorten aiheuttama ilmastovaikutus voisi osittain liipaista El Niñon käyntiin, mutta myöhemmissä tutkimuksissa asia ei ole saanut vahvistusta ja tulokset ovat sen osalta ristiriitaisia.
Hyvin harvinaisilla, jättimäisillä tulivuorenpurkauksilla (supertulivuorilla) voi olla erittäin voimakkaita ilmastovaikutuksia. Niiden on arveltu jopa voivan aloittaa jääkausia. Viimeisin tiedossa oleva jättimäinen tulivuorenpurkaus tapahtui Indonesian Toba-tulivuorella noin 74 000 vuotta sitten. Tämän purkauksen on arveltu aiheuttaneen varhaisen ihmiskunnan väestönkasvuun ”pullonkaulan”. Toban purkauksen on arveltu aiheuttaneen noin 3-5 celsiusasteen viilenemisen globaalisti ja meren lämpötilan vähenemisen yhdellä celsiusasteella trooppisilla alueilla. Tämä on lämpötilanmuutos, joka suuruudeltaan on lähellä jääkausiin liittyviä muutoksia.
Tällä hetkellä emme kuitenkaan tiedä tarkkaan, kuinka kauan aikaa Toban purkaus vaikutti ja miten paljon se vaikutti jääkauteen siirtymiseen. Tässäkin asiassa tutkimustulokset ovat ristiriitaisia.
Tulivuorista purkautuu myös kasvihuonekaasuja, kuten hiilidioksidia ja vesihöyryä. Yksittäisen purkauksen kasvihuonekaasupäästöt ovat kuitenkin niin pieniä verrattuna ilmakehässä jo olevaan määrään, että yksittäisen tulivuoren kasvihuonekaasupäästöjen ilmastovaikutus on mitätön.
Ilmastomallit ovat viime aikoina kehittyneet kovasti ja niiden avulla voidaankin jo tutkia myös tulivuortenpurkausten vaikutusta ilmastoon. Vuoden 1991 Pinatubon purkaus antoi paljon hyvää mittaustietoa mallinnuksen tueksi ja oli siinä mielessä erittäin tärkeä. Kun ilmastomalleihin yhdistetään vielä jääkairanäytteistä saadut sulfaattien mittaussarjat, voidaan tulivuorien toimintaa mallintaa pidemmällä aikavälillä. Malleilla voidaan tutkia tulivuorien suoran vaikutuksen lisäksi myös epäsuoria vaikutuksia, kuten El Niñon käyttäytymistä tulivuorenpurkausten yhteydessä.
Yllä mainittujen lisäksi tulivuorilla on muitakin ilmastovaikutuksia, kuten esimerkiksi purkauksien aiheuttama stratosfäärin lämpeneminen ja purkausten vaikutus ilmakehän kiertoliikkeisiin.
Tulevaisuuden haasteet
Olemme edellä nähneet, kuinka tulivuorien ilmastovaikutuksen tutkimus on kehittynyt voimakkaasti. Toisaalta olemme myös nähneet, että tietämyksessämme on vielä paljon aukkoja tulivuorten ilmastovaikutukseen liittyen. Tutkijoilla riittää siis haasteita myös tulevaisuudessa.
Jääkairanäytteissä laadukas tieto rajoittuu tällä hetkellä viimeiseen 1000-1500 vuoteen. Tulevaisuudessa tarvitaan parannusta näytteiden ajoituksessa ja niitä pitää saada ajallisesti tiheämmin. Lisää kehitystä on myös tehtävänä muiden tekijöiden vaikutuksen poissulkemiseksi tulivuorten aktiivisuuden mittaussarjoista.
Ilmastomallit kykenevät mallintamaan purkausten vaikutuksen melko hyvin. Silloin tällöin ne kuitenkin liioittelevat purkausten vaikutusta. Näin on erityisesti epätavallisen voimakkaiden purkausten yhteydessä. Tämän on arveltu viittaavan siihen, että purkautuvan massan muuttaminen ilmastopakotteeksi ilmastomalleissa vaatii parannuksia. On myöskin vielä selviteltävä, kuinka muiden pakotteiden (kuten esimerkiksi kasvihuonekaasut) läsnäolo vaikuttaa tulivuoren ilmastopakotteeseen.
Tulivuorten ilmastoa viilentävä vaikutus on herättänyt mielenkiintoa, kun on tarkasteltu kysymystä siitä, miten saada ilmaston lämpeneminen pysäytettyä. Eräs ehdotus muokata keinotekoisesti ilmastoa on juuri tulivuorten ilmastoa viilentävän vaikutuksen perua. On nimittäin ehdotettu, että stratosfääriin levitettäisiin paljon rikkiyhdisteitä ja niistä stratosfäärissä muodostuvat sulfaattiaerosolit vähentäisivät sitten Auringosta tulevan säteilyn maan pinnalle saapuvaa määrää. Ehdotusta on kritisoitu siitä, että sillä olisi muita haitallisia vaikutuksia (esim. stratosfäärin otsonipitoisuudelle, joka vaikeuttaisi entisestään hankalaa tilannetta otsoniaukkoihin liittyen) eikä se edes vaikuttaisi kasvihuonekaasupitoisuuksiin eikä se niin ollen poistaisi muita haittoja, kuten merten happamoitumista. Rikkiyhdisteiden vaikutus olisi myös lyhytaikainen, joten niitä pitäisi levittää stratosfääriin jatkuvasti.
Lähteet:
Jihong Cole-Dai, 2010, Volcanoes and climate, Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change, DOI: 10.1002/wcc.76. [tiivistelmä, koko artikkeli]
Robock, A. (2000), Volcanic eruptions and climate, Rev. Geophys., 38(2), 191–219, doi:10.1029/1998RG000054. [tiivistelmä, koko artikkeli]
Ilmastotieto 