Studying Aftermath of the Strong 2019 Raikoke Volcano Eruption in Central Kuril Islands Using Satellite Data

封面

如何引用文章

全文:

详细

Spatiotemporal distribution of sulfur dioxide content during the strong 2019 Raikoke stratovolcano eruption was studied using satellite data. The total mass of SO2 emitted at an altitude of 15 km was determined. The influence of stratospheric aerosols on the Earth’s ozone layer was assessed, and changes in ozone content in the atmospheric column were detected based on the analysis of multiannual time series of aerosol optical depth change. The values of aerosol optical depth increased (up to 2.3), which was related to the active transformation of sulfur dioxide into the sulfuric acid and the generation of sulfate aerosols. A sharp decrease in ozone content (by 73 DU) was detected after the end of volcanic activity, which was followed by a significant decrease in temperatures in the stratosphere (by 8–17°C). It was found that increased values of the extracted mass of SO2 persisted for several days after the eruption and then decreased exponentially with time. Changes in the total ozone content in the atmospheric column were consistent with variations in temperatures in the stratosphere.

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Одним из природных источников загрязнения атмосферы является вулканическая активность, в результате которой выбрасывается огромное количество пепла и газовых примесей (Лаверов и др., 2005). По характеру выбросов материалов на поверхность Земли следует отметить два принципиально разных типа вулканических извержений: интрузивный и эксплозивный. Интрузивный тип характеризуется относительно спокойным и длительным выдавливанием магмы через разломы коры, сопровождающимся слабыми взрывами, которые вызваны, вероятно, попаданием воды в жерло вулкана (Федотов, 2006). Эксплозивный тип, характеризующийся сильными выбросами вулканического материала в атмосферу до 20 км и более, является наиболее опасным для населения и авиации в связи с высокой энергетикой вулканогенного процесса и слабой предсказуемостью (Ивлев, и др., 2008; Маневич и др., 2024). Даже небольшие вулканические извержения могут привести к выбросу сотен мегатонн вулканического пепла в тропосферу и стратосферу (Watson et al., 2016; Reed, et al., 2018).

Перенос пепла от извержения вулканов в процессе атмосферной циркуляции возможен на тысячи километров (Krotkov et al., 2008; Watson et al., 2016), шлейфы которых представляют значительный риск для авиации (Guffanti et al., 2010). При попадании самолетов в пепловые облака возникает реальная угроза жизни людей на борту. Помимо решения задачи о снижении риска для авиации, существует значительный интерес к количественной оценке концентрации и объема частиц и газовых примесей, из-за их воздействия на климат (Robock, 2000), и окружающую среду (Thordarson and Self, 2003).

Сильные вулканические извержения эксплозивного типа вносят существенный вклад в изменчивость оптических характеристик атмосферы и, следовательно, в глобальные изменения климата (Fisher et al., 2019). Во время крупных извержений в нижнюю стратосферу выбрасываются огромные количества вулканического газа и пепла, большая часть выброшенного вулканического материала удаляется в течение нескольких дней или недель и мало влияет на изменение климата (Дивинский, Ивлев 2012). Наиболее значительные климатические воздействия вулканических выбросов в стратосферу связаны с преобразованием диоксида серы в серную кислоту (Кондратьев и др., 2007; Зуев, Зуева 2011). Она быстро конденсируется в стратосфере с образованием шлейфов сульфатных аэрозолей, увеличивая аэрозольную оптическую толщину атмосферы (Мельников, Ушаков, 2008; Stenchikov et al., 2009; Marshall, et al., 2022). Сульфатные аэрозоли являются важным фактором воздействия на климат, поскольку аэрозоли изменяют как коротковолновую, так и длинноволновую радиацию в атмосфере, достигающую поверхности Земли (Gordeev, Girina, 2014; Toohey et al., 2019; von Savigny et al., 2020). Степень их воздействия на климат зависит от множества параметров, включая: объем выброса, высоту выброса и состав шлейфа, местоположение вулкана и др. (Robock, 2000; Foster et al., 2008; Wells et al., 2023). Самое сильное влияние на глобальную атмосферу обычно оказывают извержения вулканов, находящихся в тропической зоне, например, в Юго-Восточной Азии, Восточной Африке, в Латинской Америке. Они могут изменять погоду и влиять на климат в обоих полушариях Земли. Это происходит из-за особенностей циркуляции тропического воздуха, который может перемещаться на большие расстояния и вторгаться в более низкие и более высокие широты (Robock, 2000). В то же время, “внетропические” вулканы способны повлиять на погоду только в том полушарии, в котором они сами находятся.

Сильные вулканические извержения, такие, например, как крупное извержение вулкана Пинатубо в 1991 г., могут выбрасывать огромные объемы вулканического материала (в основном пепла и SO2) высоко в стратосферу, что приводит к временному охлаждению воздушной среды и поверхности (Кондратьев, 1993; Stenchikov, 2021). После крупного извержения Пинатубо наиболее значительными извержениями с точки зрения их воздействия на аэрозольную нагрузку стратосферы являются извержения вулканов: Сарычев в 2009 г. (Haywood et al., 2010; Rybin, 2011); Набро в 2011 г. (Sawamura, et al., 2012; Clarisse, 2014); Кальбуко в 2015 г. (Romero et al., 2016; Pardini et al., 2018) и Хунга Тонга-Хунга Хаапай в 2022 г. (Khaykin, 2022a; Bourassa et al., 2023; Lu et al., 2023).

На территории Курило-Камчатского региона расположено около 68 действующих и потенциально активных вулканов (Лаверов и др., 2005; Федотов, 2003; Озеров и др., 2020). Четыре вулкана находятся в состоянии почти непрерывных слабых или умеренных извержений, на фоне которых происходят пароксизмальные эксплозивные события (Гирина, Гордеев, 2007). Вулкан Ключевской активен на протяжении нескольких сотен лет; Шивелуч – с августа 1980 г.; Безымянный – с 22 октября 1955 г.; Карымский – с 1 января 1996 г. Время от времени активизируются вулканы Авачинский, Мутновский, Горелый и др. В среднем, сильные эксплозивные извержения камчатских вулканов, при которых пеплы поднимаются на высоты 8–15 км над уровнем моря и выше, происходят примерно один раз в полтора года (Гирина, 2012).

Понимание сложных связей между вулканическими выбросами, атмосферными изменениями и их последствиями важно для предсказания этих процессов, а также расширения возможностей их моделирования.

В настоящей работе проведен анализ последствий эксплозивного извержения стратовулкана Райкоке, происходившего 22 июня 2019 г., которое считалось одним из сильных взрывных извержений в районе Курило-Камчатского региона, учитывая длительный покой (~ 100 лет) с момента его последнего крупного извержения, происходившего в 1924 г.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ И ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В процессе проведения исследований формировались и анализировались пространственно-временные распределения диоксида серы (SO2) от вулкана Райкоке в период его сильной активности в 2019 г., а также оценивалась общая масса выброшенного SO2 на высоте 15 км. Для этого использовались данные, полученные со спутника Sentinel-5P (аппаратура TROPOMI). Использование коллекции данных, получаемых с помощью аппаратуры TROPOMI, для анализа пространственно-временного распределения загрязняющих веществ (диоксида серы) в атмосфере во время извержения вулкана обеспечивало более высокое пространственное разрешение (~ 1.11 км) по сравнению с данными, получаемые с помощью предшествующих типов аппаратуры дистанционного зондирования Земли OMI (Aura) и SCIAMACHY (ENVISAT) (Theys et al., 2017). Это позволило более детально исследовать особенности вулканических облаков диоксида серы (SO2) при извержении вулкана Райкоке. Для исследований был использован тематический продукт, содержащий плотность вертикального столба диоксида серы (SO2) на высоте 15 км. Данные этого продукта извлекались с использованием облачной платформы Google Earth Engine (GEE), обеспечивающей применение метода дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) (Platt and Stutz, 2008; Theys et al., 2017).

С целью получения более точных данных о плотности вертикального столба диоксида серы проводилась корректировка качества информации, извлекаемой из спутниковых данных. При этом выбирались данные, удовлетворяющие следующим критериям:

  • доля снега и льда на регистрируемой поверхности была меньше 50% для устранения искажений из-за отражения солнечного света от снежного или ледяного покрова;
  • значения диоксида серы в вертикальном столбе было больше 0.001 мол/м2 для исключения отрицательных значений, которые могут указывать на шум в данных;
  • уровень достоверности данных выбирался выше 0.5;
  • доля облачности была меньше 30% для исключения спутниковых данных, которые затрудняют регистрацию последствий извержения;
  • значение зенитного угла Солнца (< 60°) при регистрации данных, выбиралось с учетом необходимости снижения влияния атмосферных условий.

Для улучшения интерпретации получаемых результатов, единицы измерения плотности диоксида серы моль/м2 были переведены в единицы Добсона (1 DU = 2.69 × 10–6 моль/м²).

При использовании спутниковых информационных продуктов для оценки общей массы SO2, выбрасываемой при вулканических извержениях, могут существовать некоторые ограничения, связанные с особенностями этих процессов. На начальном этапе вулканических извержений существуют неопределенности, такие как высокая концентрация SO2, которая приводит к эффектам насыщения спутниковых данных и, следовательно, к недооценке общей массы выбросов. Также на раннем этапе извержения может быть затруднено выявление массы SO2, сопутствующее присутствию вулканического пепла (Yang et al., 2010). Повышение точности оценки общей массы SO2 после начального этапа вулканического извержения, может осложняться также процессом преобразования SO2 в сульфатный аэрозоль, который начинается сразу после вулканического выброса. Поэтому может недооцениваться также общая масса SO2, рассчитанная по спутниковым данным на более позднем этапе извержения, когда шлейф рассеивается и пепел осаждается. Кроме того, на начальном этапе диоксида серы часто не выбрасывается вулканом за один раз, что еще больше усложняет оценку его общей массы (Cai, 2022).

Расчеты общей массы диоксида серы (SO2) на высоте 15 км, выброшенной в период активности вулкана Райкоке, и анализ его распространения производились по спутниковым данных с момента начала извержения 22 июня 2019 г. до 22 июля 2019 г. Для предотвращения двойного учета значений общей массы диоксида серы, спутниковые данные, получаемые для различных пролетов, усреднялись в течение суточного интервала времени. Для более точной оценки концентраций SO2 учитывалось также влияние высоты прибора TROPOMI (altitude), поскольку давление и плотность газа изменяются с высотой. Далее вычислялась общая масса SO2 путем умножения значений, полученных из тематического продукта, содержащего плотность вертикального столба диоксида серы на молярную массу и на площадь каждого отдельного регистрируемого пикселя. Полученные результаты переводились в единицы измерения килотонны (кт).

Регистрация изменений аэрозольной оптической толщины и оценка её влияния на озоновый слой осуществлялись с учетом многолетних вариаций сформированных временных рядов спутниковых данных. При этом также принималась во внимание изменчивость температуры в верхней, средней и нижней частях стратосферы. Анализ изменчивости температуры в верхней, средней и нижней частях стратосферы проводился с использованием данных спутника Aqua (прибор AIRS) с пространственным разрешением 1° × 1°. Для анализа значения температур использовались данные, зарегистрированные в ночное время суток, на уровнях давления 150 гПа, 70 гПа и 20гПа, которые соответствуют нижней, средней и верхней части стратосферного слоя.

Для анализа последствий вулканической активности были построены временные ряды тематического продукта OMAERUVd (Jethva and Torres, 2011), характеризующего изменения аэрозольной оптической толщины (Aerosol Optical Depth 500 nm). При этом использовались данные, получаемые со спутника Aura (прибор OMI) с пространственным разрешением 1° × 1°. Область проводимых исследований выбиралась с учетом дальности переноса вулканического облака SO2.

Многолетние данные аэрозольной оптической толщины анализировались с применением методики, основанной на использовании интервала стандартного отклонения данных (μ ± σ) от их среднеарифметических значений (μ) за период времени с 2005 по 2019 гг. Аэрозольная оптическая толщина позволяет оценить количество аэрозолей от вулканической активности, которые могут влиять на состояние атмосферы и климат. Поскольку вулканические аэрозоли могут отражать и рассеивать солнечное излучение, то это имеет важное значение для изменений климата и должно учитываться в климатических моделях.

В настоящем исследовании анализировались также многолетние временные ряды глобального общего содержания озона в столбе атмосферы. Для этого использовался тематический продукт OMDOAO3e, который основан на применении метода дифференциальной абсорбционной спектроскопии (DOAS) и использует значения яркости, регистрируемой прибором OMI в диапазоне спектра между 331.1 и 336.1 нм (Veefkind and Sneep, 2009). Данные тематического продукта OMDOAO3e регистрируются в стратосферном слое на высотах от 10 до 50 км с пространственным разрешением 0.25° × 0.25°. Они предоставляют информацию о вертикальном распределении озона и его концентрации в столбе атмосферы. Это является важным для изучения климатических изменений. Вариации общего содержания озона в столбе анализировались аналогично методике, примененной к временным рядам изменения аэрозольной оптической толщины, описанной выше.

В данном исследовании регистрация пеплового облака в процессе эксплозивного извержения стратовулкана Райкоке осуществлялась с использованием данных прибора MODIS (спутник Terra). При этом применялся тематический продукт MOD09GA, содержащий информацию об отражающей способности земной поверхности при отсутствии атмосферного рассеяния или поглощения (Vermote et al., 2015). Выбор этого тематического продукта был обусловлен тем, что он содержал данные с коррекцией влияния атмосферы.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

Сильное эксплозивное извержение стратовулкана Райкоке на Центральных Курилах началось 22 июня 2019 г. в 06:05 по местному времени. Эруптивная колонна поднималась на высоту 9.5–12.5 км над кратером вулкана. Мощные пеплопады происходили на всей территории острова Райкоке (Рашидов и др. 2019). На рис. 1, а представлено изображение пеплового шлейфа от этого вулкана, полученное 22 июня 2019 г. со спутника Terra (аппаратура MODIS). Анализ рис. 1, а показал, что с помощью аппаратуры MODIS спутника Terra 22 июня 2019 г. был зарегистрирован пепловый шлейф от вулкана Райкоке, распространяющийся в восточном направлении более чем на 400 км (см. рис. 1, а). В последующие дни после извержения, шлейф пепла быстро рассеивался и осаждался, и его невозможно было отслеживать дальше по данным аппаратуры MODIS (спутник Terra).

 

Рис. 1. Извержение вулкана Райкоке 22.06.2019 г.: а – изображение пеплового шлейфа от вулкана, полученное со спутника Terra (аппаратура MODIS); б – плотность вертикального столба диоксида серы (SO2) на высоте 15 км, получены по данным спутника Sentinel-5P (аппаратура TROPOMI) с использованием метода DOAS.

 

На рис 1, б приведено распределение плотности вертикального столба диоксида серы (SO2) на высоте 15 км, полученное по данным спутника Sentinel-5P (аппаратура TROPOMI) с использованием метода DOAS. По данным спутника Sentinel-5P (аппаратура TROPOMI) шлейф диоксида серы SO2 распространился на расстояние около 770 км (см. рис. 1, б) и продолжил перемещаться.

На рис. 2 приведены вертикальные плотности столба диоксида серы (SO2) на высоте 15 км, данные получены с помощью аппаратуры TROPOMI (спутник Sentinel-5P) с использованием метода DOAS в различные периоды времени.

 

Рис. 2. Вертикальная плотность столба диоксида серы (SO2) на высоте 15 км, данные получены с помощью аппаратуры TROPOMI (спутник Sentinel-5P) с использованием метода DOAS. Перемещение вулканического облака SO2: а – 23, 27 и 30 июня 2019 г.; б – с 1 по 3 июля 2019 г.; в – с 4 по 22 июля 2019 г.

 

Анализ рис. 2 показал следующее. К 23 июня 2019 г. (рис. 2, а) протяжённость вулканического облака SO2 составляла более 2500 км (см. рис. 2, а), но содержание SO2 в столбе снизилось (по сравнению с 22 июня 2019 г. (см. рис. 1б) до величины 29.8 DU. Вулканический шлейф SO2 перемещался в сторону Чукотки и 30 июня 2019 г. начал разделяться на две части, одна из которых была зафиксирована над Сахалинской областью, а другая над центральной частью Камчатского полуострова (см. правую часть рис. 2, а).

С 1 по 3 июля 2019 г. шлейф SO2 начал группироваться в отдельные изолированные структуры, хорошо различимые по данным спутника Sentinel-5P (аппаратура TROPOMI) (см. рис. 2, б). Содержание SO2 в столбе доходило до 7.4 DU. В последующие дни с 4 по 22 июля 2019 г. плотность облака SO2 уменьшалась (см. рис. 2, в), поскольку шлейф рассеивался и часть SO2 преобразовывалась в сульфатные аэрозоли.

Из анализа рис. 2, в следует, что после 3 июля 2019 г. шлейф SO2 начал закручиваться циклоном, господствовавшим в районе Командорских островов в северной части Тихого океана. В июле 2019 г. циклоны чаще всего смещались через Чукотку в арктические моря и на север Канады, о чем свидетельствует данные Гидрометцентра России (https://meteoinfo.ru). Как следствие, шлейф SO2 распространяющийся от вулкана Райкоке превращался в ряд плотных ограниченных пятен, хорошо обнаруживавшихся со спутника Sentinel-5P (TROPOMI), которые достигли территории Аляски (см. рис. 2, в).

Из анализа рис. 2, в следует также, что с 4 по 9 июля 2019 г. шлейф SO2 сделал разворот над Аляской, пересек Северную часть Тихого океана (до 13 июля 2019 г.) и 16 июля 2019 г. вернулся в район Курило-Камчатского региона к месту своего зарождения. Далее вулканическое облако SO2 перемещалось вдоль восточного фланга Азиатского летнего муссонного антициклона, прежде чем войти в субтропическую струю, которая за 10 дней перенесла эту структуру через всю Евразию и Северную Африку (Khaykin et al., 2022b).

Диоксид серы, выброшенный в период сильной вулканической активности, окисляясь до серной кислоты, способствовал образованию аэрозолей, которые могут поглощать солнечное излучение и, как следствие, изменять динамику атмосферных процессов, влияя тем самым и на содержание озона. Концентрация озона может варьироваться в зависимости от времени года, географического положения и метеорологических условий (от 200 DU до 300 DU в нормальных условиях).

На рис. 3 представлены результаты расчетов общей массы выбросов диоксида серы SO2, распространяющейся от вулкана Райкоке в 2019 г. с момента начала извержения (22 июня 2019 г.) до 22 июля 2019 г. Перемещение вулканического облака SO2 представлено на рис. 2.

 

Рис. 3. Общая масса выбросов диоксида серы (SO2) распространившихся от вулкана Райкоке, кт (килотонны).

 

Анализ рис. 3 показавает, что в день извержения вулкана Райкоке (22 июня 2019 г.) была зафиксирована общая масса диоксида серы, равная приблизительно ~ 1.58 Тг. Эти данные сопоставимы с результатами полученными в работах (Muser et al., 2020; Kloss et al., 2021; De Leeuw et al., 2021; Khaykin et al., 2022b), котрые составляли величины от 1.4 Тг до 2.1 Тг.

Далее в течение нескольких дней (с 23 июня по 2 июля 2019 г. включительно) сохранялись повышенные значения общей массы диоксида серы. Это объясняется тем, что выбросы от вулкана Райкоке имели высокое содержание SO2 (рис. 2 а, б) и большие площади распространения. А затем общая масса диоксида серы (SO2) экспоненциально снижалась со временем (см. рис. 3). Количество стратосферного SO2 уменьшалось в связи с фотохимическим преобразованием в серную кислоту, из-за реакции с гидроксильным радикалом OH. Серная кислота, образуя новые частицы и конденсируясь на уже существующих частицах, образовывала долгоживущий стратосферный сульфатный аэрозоль (Gorkavyi et al., 2021).

На рис. 4 представлены результаты анализа многолетних временных рядов аэрозольной оптической толщины и содержания озона в столбе атмосферы по данным спутника Aura (прибор OMI), а также изменения температур на высотах, соответствующих давлению 20 гПа 70 гПа и 150 гПа, в верхней, средней, нижней частях стратосферы соответственно по данным спутника Aqua (прибор AIRS).

 

Рис. 4. Изменения параметров атмосферы в период сильной вулканической активности в 2019 г.: аэрозольной оптической толщины и содержания озона в столбе атмосферы по данным спутника Aura (прибор OMI), а также температуры в верхней, средней, нижней частях стратосферы по данным спутника Aqua (прибор AIRS).

 

Всплеск значений в общей аэрозольной оптической плотности (AOD), выявленный 22 июня 2019 г., указывал на начало активности вулкана Райкоке (см. рис. 4), после которого 29 июня и 8 июля 2019 г. были выявлены превышения (на ~ 10 DU) содержания озона в столбе атмосферы относительно значений для прошлых лет (2005–2018 гг.), обозначенных серым цветом.

Анализ рис. 4 (верхняя панель) показывает, что после сильного извержения вулкана Райкоке значения общей аэрозольной оптической плотности AOD превышали показатели многолетних данных с 2005 по 2018 гг. (обозначено серым цветом) в исследуемом регионе. В повышение значений общей аэрозольной оптической плотности AOD вносили свой вклад в том числе и активные вулканы Центральной части Камчатского полуострова. С средины июля до конца сентября 2019 г. вулканы Карымский и Шивелуч проявляли свою активность в виде небольших экструзивно-эксплозивных выбросов пепла и газа (Гирина и др., 2020). В этот период времени были обнаружены превышения общей аэрозольной оптической плотности AOD, которые вероятно послужили увеличению содержания озона в столбе атмосферы (9 августа, 4 сентября и 22 сентября 2019 г.), относительно прошлых лет 2005–2018 гг. на величину ~ 14–16 DU. Процессы влияния стратосферных аэрозолей на радиационный баланс Земли и нагрузку на озоновый слой подтверждаются в работах ряда авторов, например, (Rasch et al., 2008; Thompson and Solomon, 2009).

Повышенная аэрозольная нагрузка в период с конца августа до окончания ноября 2019г. объясняется значительной вулканической активностью, происходящей в исследуемом регионе. Вулкан Шивелуч в дни 29 августа, 2 и 6 октября, 3 и 11 ноября 2019 г. проявлял сильную активность с наблюдаемыми эксплозивными событиями, сопровождавшимися подъемом пепла до высоты 12 км над уровнем моря (Гирина и др., 2020). Активность вулкана Шивелуч с конца сентября по начало октября (рис. 4) послужила повышению общей аэрозольной оптической плотности (AOD) до 3.5, которая сопутствовала увеличению содержания озона в столбе атмосферы 17 октября 2019 г. (до 343 DU). Также наблюдались эксплозивные события стромболианского типа умеренной силы, обусловленные активностью вулкана Ключевской, проявлявшейся с начала ноября 2019 г. Повышение общей аэрозольной оптической плотности AOD (до 4) в это время способствовало увеличению содержания озона в столбе атмосферы (до 410 DU) и превышению над многолетними данными (с 2005–2018 гг.) в среднем на 20 DU. В последствии 8 декабря 2019 г. были выявлены резкие изменения содержания озона в столбе атмосферы, в виде его резкого снижения до уровня 337 DU.

Анализ рис. 4 показывает, что изменения общего содержания озона в столбе атмосферы согласуются с вариациями температур в стратосфере. Превышения содержания озона, выявленные после извержения вулкана Райкоке, сопутствовали повышению температуры в нижней части стратосферы на 2–3°C по сравнению с многолетними изменениями (с 2005–2018 гг.). А в верхней части стратосферы температура снизилась на 1–2°C в сравнении с прошлыми годами. Значительное увеличение содержания озона, происходившее с 18 ноября по 1 декабря 2019 г., привело также и к росту температур во всех частях стратосферы на 1–3°C (см. рис. 4). Снижение содержания озона, происходившее с 8 декабря 2019 г., после окончания вулканической активности, сопровождались также резким понижением температур (на 17°C) в верхней части стратосферы уже на следующий день, 9 декабря 2019 г., а затем 13 декабря 2019 г. было зафиксировано снижение температуры в средней части стратосферы на 8°C. Затем в период времени с 13 по 16 декабря 2019 г. было выявлено понижение температуры на 9°C и в нижней части стратосферы (см. рис. 4 нижняя панель).

Полученные результаты показали, что временная изменчивость содержания озона после извержений вулканов согласуется с изменениями температур в стратосфере. Это подтверждается также результатами, приведенными в работе (Thompson and Solomon, 2009).

Характеристика стратосферных аэрозолей важна не только для понимания изменений температуры и содержания озона в атмосфере. В последние годы данные об атмосферном аэрозоле приобрели актуальность из-за их потенциального использования в качестве геоинженерного инструмента для уменьшения последствий глобального потепления (Семенов и др., 2008; Rasch et al., 2008; Chouza, 2020).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе с использованием различных спутниковых данных проанализированы последствия сильного эксплозивного извержения стратовулкана Райкоке, происходившего в 2019 г. Вулкан расположен на территории Центральных Курил.

По данным спутника Terra (аппаратура MODIS) был обнаружен пепловый шлейф, вызванный извержением этого вулкана, которое началось 22 июня 2019 г. В этот день шлейф распространялся в восточном направлении на расстояние более чем на 400 км. Использование данных спутника Sentinel-5P (аппаратура TROPOMI) более высокого пространственного разрешения, по сравнению с ранее используемыми данными, позволило проследить пространственно-временное перемещение вулканического облака и выявить изменения в плотности содержания диоксида серы (SO2) на высоте 15 км. Динамическая ситуация вокруг шлейфа диоксида серы, связанная с присутствием циклона, сформировала в процессе переноса и рассеивания выбросов диоксида серы уникальные черты компактных облаков этой примеси с ограниченными размерами и различными формами. В процессе исследований удалось зафиксировать вулканический шлейф, который распространился по Северному полушарию и непрерывно наблюдался в течение нескольких месяцев после начала извержения стратовулкана Райкоке.

С помощью спутниковых данных, полученных с использованием облачной платформы Google Earth Engine и системы обработки, созданной на языке программирования JavaScript, были произведены расчеты общей массы диоксида серы (SO2) на высоте 15 км, выброшенной в период сильной активности вулкана Райкоке с 22 июня и прослеживалось распространение шлейфа этой примеси до 22 июля 2019 г. Установлено, что со временем максимальное количество SO2 в столбе шлейфа постепенно уменьшалось за счет фотохимических процессов, которые преобразовывали SO2 в серную кислоту H2SO4 и преобразовывалась в стратосфере в шлейфы сульфатных аэрозолей.

Точное описание стратосферных вулканических извержений является сложной задачей. Поэтому в настоящем исследовании учитывались некоторые ограничения в качестве исходных спутниковых данных, а также в результатах их обработки. Противоречивость информации о последовательности выбросов вулканических материалов также может привести к разным выводам об одном и том же вулканическом извержении.

Преобразование стратосферного SO2 в серную кислоту, а затем в долгоживущие сульфатные аэрозоли позволило обнаружить пиковые превышения аэрозольной оптической толщины (AOD), которые указывали на начало активности вулкана Райкоке. Сделано предположение р том, что выявленные превышения AOD, привели к увеличению содержания озона в столбе атмосферы через 7–17 дней после начала сильного извержения исследуемого вулкана.

Показано, что значительная активность вулканов Карымский, Шивелуч и Ключевской, происходившая в Курило-Камчатском регионе с конца августа до окончания ноября 2019 г., привела к увеличению значений аэрозольной оптической толщины (AOD до величины, равной 4). Выявленная повышенная аэрозольная нагрузка в этот период времени, вероятно, содействовала увеличению содержания озона в столбе атмосферы (до 410 DU). Резкое снижение содержания озона в столбе атмосферы (на 73 DU) было обнаружено после окончания сильной вулканической активности Курило-Камчатского региона.

Проведенный анализ вариаций температур в стратосфере (в нижней, средней и верхней) позволил выявить взаимосвязь изменений общего содержания озона в столбе атмосферы, которые согласовывались с динамикой температур в стратосфере в период после вулканической активности.

Выполненный анализ последствий сильной активности вулкана Райкоке продемонстрировал изменчивость выбросов SO2 от вулканов и выявил потребность в проведении непрерывных измерений, а также необходимость сравнений различных спутниковых и наземных данных, полученных за более длительные промежутки времени.

Дальнейшие исследования целесообразно посвятить проверке и улучшению представления о механизмах формирования и развития вулканических шлейфов для использования их в глобальных и региональных климатических моделях. Это приведет к лучшему пониманию охлаждающих эффектов, связанных с вулканической активностью. Взаимодополняемость результатов наблюдений и моделирования также даст возможность оценить неопределенности, связанные с предлагаемыми стратегиями воздействия на климат с использованием стратосферного аэрозоля, которые предлагаются в качестве метода смягчения негативных последствий изменения климата.

Использование результатов данных исследований будет полезно для получения новых представлений о недавних изменениях климата, вызванных сильной вулканической активностью.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Исследование выполнено в НИИ “АЭРОКОСМОС” в рамках проекта №124021200003-1.

×

作者简介

V. Bondur

AEROCOSMOS Research Institute for Aerospace Monitoring

编辑信件的主要联系方式.
Email: office@aerocosmos.info
俄罗斯联邦, Moscow

O. Voronova

AEROCOSMOS Research Institute for Aerospace Monitoring

Email: office@aerocosmos.info
俄罗斯联邦, Moscow

参考

  1. Bourassa A.E., Zawada D.J., Rieger L.A., Warnock T.W., Toohey M., Degenstein D.A. Tomographicretrievals of Hunga Tonga-Hunga Ha’apaivolcanic aerosol // Geophysical ResearchLetters, 2023. 50, e2022GL101978. https://doi.org/10.1029/2022GL101978
  2. Cai Z., Griessbach S., Hoffmann L. Improved estimation of volcanic SO2 injections from satellite retrievals and Lagrangian transport simulations: the 2019 Raikoke eruption // Atmos. Chem. Phys., 2022. 22, 6787–6809, https://doi.org/10.5194/acp-22-6787-2022
  3. Chouza F., Leblanc T., Barnes J., Brewer M., Wang P., Koon D. Long-term (1999–2019) variability of stratospheric aerosol over Mauna Loa, Hawaii, as seen by two co-located lidars and satellite measurements, // Atmos. Chem. Phys., 2020. 20, 6821–6839, https://doi.org/10.5194/acp-20-6821-2020
  4. Clarisse L., Coheur P.-F., Theys N., Hurtmans D., Clerbaux C. The 2011 Nabro eruption, a SO2 plume height analysis using IASI measurements // Atmos. Chem. Phys., 2014. 14, 3095–3111, https://doi.org/10.5194/acp-14-3095-2014.
  5. de Leeuw J., Schmidt A., Witham C. S., Theys N., Taylor I. A., Grainger R. G., Pope R.J., Haywood J., Osborne M., Kristiansen N.I. The 2019 Raikoke volcanic eruption – Part 1: Dispersion model simulations and satellite retrievals of volcanic sulfur dioxide // Atmos. Chem. Phys., 2021. 21, 10851–10879, https://doi.org/10.5194/acp-21-10851-2021,
  6. Divinskii L. I., Ivlev L.S. O vode i aerozolyah vulkanicheskogo proishojdeniya v visokih sloyah atmosferi // Prirodnaya Sreda. 2012. №4 (25), pp. 254–261 (in Russian)
  7. Fedotov S.A. Magmaticheskiye pitayushchiye sistemy i mekhanizm izverzheniy vulkanov (Magmatic feeding systems and the mechanism of volcanic eruptions.). Moscow: Nauka, 2006. 455 p.
  8. Fedotov S.A. Vulkanizm i seysmichnost, nauka, obshchestvo, sobytiya i zhizn (statyi, besedy i vystupleniya 1952–2002 gg. (Volcanism and seismicity, science, society, events and life (Articles, talks and speeches (1952 – 2002)). Petropavlovsk-Kamchatsky: Novaya Kniga Holding Publ., 2003. 184 p., illustrated ISBN5-87750-101-1
  9. Fisher B.L., Krotkov N.A., Bhartia P.K., Li C., Carn S.A., Hughes E., Leonard P.J.T. A new discrete wavelength backscattered ultraviolet algorithm for consistent volcanic SO2 retrievals from multiple satellite missions // Atmos. Meas. Tech., 2019. 12, 5137–5153, https://doi.org/10.5194/amt-12-5137-2019
  10. Forster P., Ramaswamy V., Artaxo P., Berntsen T., Betts R., Fahey D., Haywood J., Lean J., Low D., Myhre G., Nganga J., Prinn R., Raga G., Schulz M., Dorland R.V. Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing, in: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, edited by: Solomon, S., Qin, D., Manning, M., Chen, Z., Marquis, M., Averyt, K., Tignor, M., and Miller, H., 129–234, Cambridge University Press, United Kingdom and New York, NY, USA, 2008.
  11. Girina O.A., Gordeev E.I. KVERT project: reduction of volcanic hazards for aviation from explosive eruptions of Kamchatka and Northern Kuriles volcanoes // Institute of Volcanology and Seismology FED RAS, 2007. № 2 (132). С. 100–109 (in Russian)
  12. Girina O.A., Manevich A.G., Melnikov D.V., Nujdaev A.A., Lupyan E.A. Aktivnost vulkanov Kamchatki i Kurilskih ostrovov v 2019 g. i ih opasnost dlya aviacii // Vulkanizm i svyazannie s nim processi. Materiali XXIII ejegodnoi nauchnoi konferencii_ posvyaschennoi Dnyu vulkanologa_ 2020 g. – Petropavlovsk_Kamchatskii_ IViS DVO RAN_ 2020. P. 11_14.
  13. Girina O.A. On precursor of Kamchatkan volcanoes eruptions based on data from satellite monitoring // J. Volcanolog. Seismol. 6, 142–149. 2012. https://doi.org/10.1134/S0742046312030049
  14. Gordeev E.I., Girina O.A. Volcanoes and the threat they pose for aircraft // Vestnik Rossiiskoi Akademii Nauk, 2014, vol. 84, no. 2, pp. 134–142. https://doi.org/10.7868/S0869587314020121
  15. Gorkavyi N., Krotkov N., Li C., Lait L., Colarco P., Carn S., DeLand M., Newman P., Schoeberl M., Taha G., Torres O., Vasilkov A., Joiner J. Tracking aerosols and SO2 clouds from the Raikoke eruption: 3D view from satellite observations // Atmos. Meas. Tech., 2021. 14, 7545–7563, https://doi.org/10.5194/amt-14-7545-2021,
  16. Guffanti M., Casadevall T.J., Budding K. Encounters of aircraft with volcanic ash clouds: a compilation of known incidents, 1953–2009 // U.S. Geological Survey Data Series 545, 2010. ver. 1.0, 12 p., plus 4 appendixes including the compilation database.
  17. Haywood J. M., et al., Observations of the eruption of the Sarychev volcano and simulations using the HadGEM2 climate model // J. Geophys. Res., 2010. 115, D21212, https://doi.org/10.1029/2010JD014447
  18. Ivlev L.S., Kolosov A.S., Terokhin S.N. Eruptivnyye vulkanicheskiye protsessy: mekhanizmy i kharakteristiki (Eruptive volcanic processes: Mechanisms and characteristics) //Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta, 2008. Vol. 4, No 2. pp.35–48. (In Russian).
  19. Jethva H., Torres, O. Satellite-based evidence of wavelength-dependent aerosol absorption in biomass burning smoke inferred from Ozone Monitoring Instrument // Atmos. Chem. Phys., 2011. 11, 10541–10551, https://doi.org/10.5194/acp-11-10541-2011
  20. Khaykin S. et al. Global perturbation of stratospheric water and aerosol burden by Hunga eruption // Commun. Earth Environ. 2022a. 3, 316. https://doi.org/10.1038/s43247- 022-00652-x
  21. Khaykin S.M., de Laat A.T.J., Godin-Beekmann S. et al. Unexpected self-lofting and dynamical confinement of volcanic plumes: the Raikoke 2019 case // Sci Rep. 2022b. 12, 22409 https://doi.org/10.1038/s41598-022-27021-0
  22. Kloss C., Berthet G., Sellitto P., Ploeger F., Taha G., Tidiga M., Eremenko M., Bossolasco A., Jégou, F., Renard J.-B., Legras B. Stratospheric aerosol layer perturbation caused by the 2019 Raikoke and Ulawun eruptions and their radiative forcing // Atmos. Chem. Phys., 2021. 21, 535–560, https://doi.org/10.5194/acp-21-535-2021
  23. Kondratyev K.Ya. Kompleksnyy monitoring posledstviy izverzheniya vulkana Pinatubo (Comprehensive monitoring of the consequences of the eruption of Mount Pinatubo) // Issledovaniya Zemli iz kosmosa. 1993. No. 1., pp. 111–122 (In Russian).
  24. Kondratyev K.Ya., Ivlev L.S., Krapivin V.F. Svoystva, protsessy obrazovaniya i posledstviya vozdeystviy atmosfernogo aerozolya: ot nano – do global’nykh masshtabov (Properties, formation processes and consequences of atmospheric aerosol impacts: from nano to global scales). Saint Petersburg: 2007. VVM Publ., 858 p. (In Russian).
  25. Krotkov N. A., et al. Validation of SO2 retrievals from the Ozone Monitoring Instrument over NE China // J. Geophys. Res., 2008. 113, D16S40, https://doi.org/10.1029/2007JD008818
  26. Laverov N.P., Dobretsov N.L., Bogatikov O.A., Bondur V.G. et. al. Modern and Holocene volcanism in Russia / Ed. by N.P.Laverov. Moscow: Nauka, 2005. 604 p. (In Russian).
  27. Lu J., Lou S., Huang X., Xue L., Ding K., Liu T., et al. Stratosphericaerosol and ozone responses to theHunga Tonga-Hunga Ha’apai volcaniceruption // Geophysical Research. 2023. Letters,50, e2022GL102315. https://doi.org/10.1029/2022GL102315
  28. Manevich A.G., Girina O.A., Melnikov D.V., Bril A.A., Romanova I.M., Sorokin A.A., Kramareva L.S., Korolev S.P. Klyuchevskoy volcano eruptions in 2023–2024 based on remote sensing data in the VolSatView information system // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa 2024. Т. 21. № 3. С. 94–103. (in Russian)
  29. Marshall L.R., Maters E.C., Schmidt A. et al. Volcanic effects on climate: recent advances and future avenues // Bull Volcanol. 2022. 84, 54. https://doi.org/10.1007/s00445-022-01559-3
  30. Melnikov D.V., Ushakov S.V. Monitoring atmosfernogo soderzhaniya SO2 pri krupnykh izverzheniyakh vulkanov Kamchatki za 2007 g. posredstvom sputnikovykh metodov issledovaniy (Monitoring of atmospheric SO2 content during large volcanic eruptions in Kamchatka in 2007 using satellite research methods) // Proceedings of Conference “Geofizicheskiy monitoring i problemy seysmicheskoy bezopasnosti Dal’nego Vostoka Rossii”. Petropavlovsk-Kamchatsky: Russian Academy of Sciences, Kamchatca Branch Publ., 2008. Vol. 1, pp. 101–104. (In Russian).http://www.emsd.ru/konf071112/pdf/t1/str101.pdf
  31. Muser L.O. et al. Particle aging and aerosol–radiation interaction affect volcanic plume dispersion: Evidence from the Raikoke 2019 eruption // Atmos. Chem. Phys. 20, 2020. 15015–15036. https://doi.org/10.5194/acp-20-15015-2020
  32. Ozerov A.Y., Girina O.A., Zharinov N.A. et al. Eruptions in the Northern Group of Volcanoes, in Kamchatka, during the Early 21st Century. // J. Volcanolog. Seismol. 14, 1–17. 2020. https://doi.org/10.1134/S0742046320010054
  33. Pardini F., Burton M., Arzilli F., La Spina G., Polacci M. SO2 emissions, plume heights and magmatic processes inferred from satellite data: The 2015 Calbuco eruptions // Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2018. 361, 12–24. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2018.08.001
  34. Platt U., Stutz J. Differential optical absorption spectroscopy – Springer–Verlag, New–York, Berlin, Heidelberg, 2008. – 593 p
  35. Rasch P.J., Tilmes S., Turco R.P., Robock A., Oman L., Chen C.-C., Stenchikov G.L., Garcia R.R. An overview of geoengineering of climate using stratospheric sulphate aerosols, Philos. T. Roy. Soc. A, 2008. 366, 4007–4037. https://doi.org/10.1098/rsta.2008.0131
  36. Rashidov V.A., Girina O.A., Ozerov A.Yu., Pavlov N.N. The June 2019 Eruption of Raikoke Volcano (The Kurile Islands) // Bulletin of Kamchatka Regional Association “Educational-Scientific Center”. Earth sciences. Issue 42. No. 2. 2019, pp. 5–8. https://doi.org/10.31431/1816-5524-2019-2-42-5-8
  37. Reed B.E., Peters D.M., McPheat R., Grainger R.G. The Complex Refractive Index of Volcanic Ash Aerosol Retrieved аrom Spectral Mass Extinction // J. Geophys. Res. Atmos. 2018, 123, pp. 1339–1350, https://doi.org/10.1002/2017JD027362
  38. Robock A. Volcanic eruptions and climate // Rev. Geophys., 2000. 38, 191–219, https://doi.org/10.1029/1998RG000054
  39. Romero J.E., Morgavi D., Arzilli F., Daga R., Caselli A., Reckziegel F., Perugini D. Eruption dynamics of the 22–23 April 2015 Calbuco Volcano (Southern Chile): Analyses of tephra fall deposits // Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2016. 317, 15–29. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2016.02.027
  40. Rybin A., Chibisova M., Webley P., Steensen T., Izbekov P., Neal C., Realmuto V.Satellite and ground observations of the June 2009 eruption of Sarychev Peak volcano, Matua Island, Central Kuriles // Bull. Volcanol., 2011. 73(9), 1377–1392, https://doi.org/10.1007/s00445-011-0481-0
  41. Sato M., Hansen J.E., McCormick M.P., Pollack J.B. Stratospheric aerosol optical depths, 1850–1990 // J. Geophys. Res. 1993. 98, 22987. https://doi.org/10.1029/93JD02553
  42. Sawamura P., et al. Stratospheric AOD after the 2011 eruption of Nabro volcano measured by lidars over the Northern Hemisphere, Environ. Res. Lett., 2012. 7(3), 034,013, https://doi.org/10.1088/1748-9326/7/3/034013
  43. Semenov S.M., Izrael Yu.A., Gruza G.V., Rankova E.Ya. Izmeneniya globalnoi temperaturi i regionalnie riski pri nekotorih stabilizacionnih scenariyah antropogennoi emissii dioksida ugleroda i metana. V kn. Izmenenie okrujayuschei sredi i klimata prirodnie i svyazannie s nimi tehnogennie katastrofi. T. 6: izmeneniya klimata vliyanie zemnih i vnezemnih faktorov / Otv. red. G.S. Golitsyn. M.: IFA RAN, IFZ RAN, 2008. 24–36. (In Russian).
  44. Stenchikov G., Delworth T.L., Ramaswamy V., Stouffer R.J., Wittenberg A., Zeng F. Volcanic signals in oceans // J. Geophys. Res., 2009. 114, D16104, https://doi.org/10.1029/2008JD011673
  45. Stenchikov G., Ukhov A., Osipov S., Ahmadov R., Grell G., Cady-Pereira K., Mlawer E., Iacono M. How Does a Pinatubo-Size Volcanic Cloud Reach the Middle Stratosphere? // J. Geophys. Res.–Atmos., 2021. 126, e2020JD033829, https://doi.org/10.1029/2020JD033829
  46. Theys N., De Smedt I., Yu H., Danckaert T., van Gent J., Hörmann C., Wagner T., Hedelt, P., Bauer H., Romahn F., Pedergnana M., Loyola D., Van Roozendael M. Sulfur dioxide retrievals from TROPOMI onboard Sentinel-5 Precursor: algorithm theoretical basis // Atmos. Meas. Tech., 2017. 10, 119–153, https://doi.org/10.5194/amt-10-119-2017
  47. Thompson D.W., Solomon S. Understanding recent stratospheric climate change, J. Climate, 2009. 22, 1934–1943, https://doi.org/10.1175/2008JCLI2482.1
  48. Thordarson Th., Self S., Atmospheric and environmental effects of the 1783 – 1784 Laki eruption: A review andreassessment // J. Geophys. Res., 2003. 108(D1), 4011, https://doi.org/10.1029/2001JD002042
  49. Toohey M., Krüger K., Schmidt H., Timmreck C., Sigl M., Stoffel M., Wilson R. Disproportionately strong climate forcing from extratropical explosive volcanic eruptions // Nat. Geosci., 2019. 12, 100–107, https://doi.org/10.1038/s41561-018-0286-2
  50. Veefkind P., Sneep M. OMDOA03 README FILE: http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/Aura/data-holdings/OMI/ documents/v003/OMDOAO3 README V003.shtml (last access: 14 January 2012), 2009.
  51. Vermote E.F., Roger J.C., Ray J.P. MODIS Surface Reflectance User’s Guide Collection 6. [Accessed 23 June 2016]; 2015 May; http://modis-sr.ltdri.org/guide/MOD09_UserGuide_v1.4.pdf
  52. von Savigny C., Timmreck C., Buehler S.A., Burrows J.P., Giorgetta M., Hegerl G., Horvath A., Hoshyaripour G. A., Hoose C., Quaas J., Malinina E., Rozanov A., Schmidt H., Thomason L., Toohey M., Vogel B.: The Research Unit VolImpact: Revisiting the volcanic impact on atmosphere and climate – preparations for the next big volcanic eruption // Meteorol. Z., 2020. 29, 3–18, https://doi.org/10.1127/metz/2019/0999
  53. Watson E.J., Swindles G.T., Stevenson J.A., Savov I., Lawson I.T. The transport of Icelandic volcanic ash: Insights from northern European cryptotephra records // Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2016. 121, 7177–7192. https://doi.org/10.1002/2016JB013350
  54. Wells A.F., Jones A., Osborne M., Damany-Pearce L., Partridge D.G., Haywood J.M.: Including ash in UKESM1 model simulations of the Raikoke volcanic eruption reveals improved agreement with observations // Atmos. Chem. Phys., 2023, 3985–4007, https://doi.org/10.5194/acp-23-3985-2023
  55. Yang K., Liu X., Bhartia P.K., Krotkov N.A., Carn S.A., Hughes E.J., Krueger A.J., Spurr R.J.D., Trahan S.G. Direct retrieval of sulfur dioxide amount and altitude from spaceborne hyperspectral UV measurements: Theory and application // J. Geophys. Res., 2010. 115, D00L09, https://doi.org/10.1029/2010JD013982
  56. Zuev V.V. Zueva N.E. Volcanogenic disturbances of the stratosphere as the principle regulator of the long-term behavior of the ozonosphere from 1979 to 2008 // Opt. Atmos. Okeana 24 (1), 30–34. 2011. (In Russian).

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Eruption of the Raikoke volcano on 06/22/2019: a – image of the ash plume from the volcano, obtained from the Terra satellite (MODIS equipment); b – density of a vertical column of sulfur dioxide (SO2) at an altitude of 15 km, obtained from the Sentinel-5P satellite (TROPOMI equipment) using the DOAS method.

下载 (296KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Vertical density of a column of sulfur dioxide (SO2) at an altitude of 15 km, data obtained using TROPOMI equipment (Sentinel-5P satellite) using the DOAS method. Movement of the SO2 volcanic cloud: a – on June 23, 27 and 30, 2019; b – from July 1 to July 3, 2019; c – from July 4 to July 22, 2019.

下载 (1MB)
索引源数据
4. Fig. 3. Total mass of sulfur dioxide (SO2) emissions from the Raikoke volcano, kt (kilotons).

下载 (230KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Changes in atmospheric parameters during the period of strong volcanic activity in 2019: aerosol optical thickness and ozone content in the atmospheric column according to the Aura satellite (OMI instrument), as well as temperatures in the upper, middle, and lower parts of the stratosphere according to the Aqua satellite (AIRS instrument).

下载 (767KB)
索引源数据

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2024