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作者:橡树村

影响地表能量平衡的自然因素里面,太阳辐射的变化是外来的因素,火山活动就是来自地球的内部因素。火山爆发是非常剧烈的地质运动,在火山喷发过程中,地壳破裂,地壳下面的各种气体、液体都释放出来,喷发本身还伴随着大量灰尘的释放,很是壮观,如果规模达到一定程度,就会对气候造成影响。

1991年皮纳图博火山喷发是20世纪最猛烈的一次火山喷发

由于火山喷发是相对罕见的事情,所以对于大多数火山喷发,至少是人类有史以来的火山喷发,火山喷发本身的能量释放,喷出来的岩浆对气候的影响等等就可以忽略。云次研究火山喷发对气候的影响主要研究的是火山喷发时候所释放的气体和灰尘。火山喷发可以带来不同的气体,一般来讲,最多的就是水蒸气,然后是二氧化碳和二氧化硫,其他的,硫化氢,氯化氢,氟化氢也是很常见的火山气体,另外还有一些更加复杂的化合物,不过量都很少了。喷发出来的水蒸气虽然最多,但是一方面水蒸气在大气中停留的时间只有十几天,影响时间短暂,另外一方面火山喷发出来的水蒸气与全球水循环相比基本上可以忽略,所以目前在研究火山对气候的变化的时候并不考虑喷发出来的水蒸气的影响。二氧化碳是重要的长寿命温室气体,总有一些人认为火山喷发的二氧化碳比人类活动所排放的二氧化碳多,实际上平均下来,火山喷发所带来的二氧化碳排放每年只有1.3-2.3亿吨,虽然也不是一个小数字,但是比起来人类目前每年排放的将近300亿吨二氧化碳来讲,在数值上低了两个数量级,也是可以忽略的。这样,考虑火山喷发对气候的影响,主要考虑的因素就是二氧化硫和火山灰。

火山喷发出来的气体可以高达16-32公里,可以进入平流层。这样,火山喷发出来的二氧化硫就直接进入了平流层。和对流层不同,平流层里面不同高度的气体交换非常缓慢,所以二氧化硫可以在某个高度停留较长时间。这样,在平流层里面的二氧化硫就有机会经过缓慢氧化,与平流层里面的羟基反应,形成硫酸,进而形成硫酸盐固体颗粒,也就是可以形成气溶胶。这个气溶胶会逐渐沉积抵达地面。这个过程也不是特别缓慢。描述这个过程的速度的,是一个叫做指数递减时间e- folding time的概念,说的是反应物浓度降低自然底数e=2.71828倍数所需要花费的时间。二氧化硫氧化形成硫酸和硫酸盐气溶胶的指数递减时间是35天,而硫酸和硫酸盐形成的气溶胶沉积的指数递减时间是12到14个月。由于在平流层形成气溶胶,而硫酸盐气溶胶可以增强对太阳辐射的反照,所以这些气溶胶就会减弱太阳进入到对流层的辐射,从而产生一个负的辐射强迫。这个进入平流层的二氧化硫所形成的气溶胶与火山直接喷发出来的火山灰有所不同。火山喷发出来的灰尘主要成分是硅酸盐,这些硅酸盐颗粒一般都在2个微米以上,算是比较大的颗粒了,所以可以很快从平流层中清除,对气候的长期影响不大,只是对于爆发后的气候有显著的短期影响。所以呢,火山喷发形成的硫酸盐气溶胶是对气候影响起最主要作用的一个因素,而所导致的结果,是一个负的辐射强迫,或者说,是降温。

火山喷发对气候的影响

定性的研究不难,但是定量可不容易。对火山喷发形成的气溶胶的辐射强迫进行定量估算,就需要对气溶胶的形成有清晰地了解。历史上的火山喷发也有一些痕迹可循。火山爆发后形成的气溶胶会被大气输送到极地地区,高寒地区,这样,这些气溶胶就会被保留在冰里面。通过研究冰芯里面的颗粒物,就可以重建气球的火山喷发历史。当然,大气对气溶胶的输送远没有对气体的输送那样有效均匀,受到气溶胶的高度分布影响,受到很严重的噪音干扰,所以这方面的数据不确定性仍然不小。

怎么说也是直接观察最可靠。这方面,通过长期的地面观察以及探空气球的测量,人们已经积累的不少知识和数据。在卫星时代之前,人们对于全球的变化仍然缺乏直接全面认识手段,1980年代使用卫星对平流层气溶胶进行观测之后,人们就掌握了这个问题的第一手资料,特别是从1980年代开始的专门的平流层气溶胶和气体试验更是专门对这个问题进行观测、研究,积累了20多年的详细数据。这期间地球有两次大的火山爆发,正好也是20世纪所经历的最大的两次火山喷发,一个是1982年的墨西哥埃尔奇琼El Chichon火山爆发,另一个是1991年的菲律宾皮纳图博Mt Pinatubo火山爆发。这两次产生的影响,都得到了非常全面的记录。特别是1991年皮纳图博火山爆发,可以说是到目前为止人类观察最充分详细的。在这个火山爆发之后,一直到AR4成文的2007年,都没有可能影响气候的火山活动。这期间,很明显观察到了平流层气溶胶的浓度下降,这些气溶胶的光谱特性也一直被跟踪研究,对于火山爆发后的气溶胶行为有了不错的了解。根据这些知识,人们开始重建历史上的数据,下图列出了两组重建的19世纪末起到20世纪末的火山气溶胶圈可视光深的数据。

两组对19世纪后期以来火山喷发导致的气溶胶的光深变化

了解了气溶胶的形成过程、种类、性质,要进行定量估算仍然很麻烦。气溶胶产生的辐射强迫可以直接影响地球的能量平衡,这样,会对地表平均温度造成影响。然后,这个气溶胶存在一个水平和垂直分布,这样就会对平流层的循环造成一定影响,进而影响对流层。再有,这些辐射强迫还可以对对流层内的一些变量产生影响,对气候构成干扰,可能触发、放大、减弱、改变一些气候事件。最后,火山气溶胶还可以改变臭氧层的分布,火山喷发出来的一些少量气体,也会与臭氧反应,在一定的时间内造成干扰。总而言之,火山喷发会影响很多其他气候现象,把整个系统弄得非常复杂。这些因素综合在一起,结果就是人们对于火山喷发造成的长期辐射强迫还没办法估计。由于火山的短期性,不连续性,给出这个数值还是很困难的。不过还是有人开始对火山喷发时候的辐射强迫进行计算,一个研究认为皮纳图博火山喷发时产生的辐射强迫可以达到-3.0W/m2。不过这方面计算的不确定性仍然很大,因为气溶胶的尺寸分布对光学性质有不小的影响,而气溶胶尺寸的估算和重建又很困难,成了一个重要的误差来源,所以不同研究者之间的研究结果差异还是不小的。对之前的主要火山的影响进行估算,只有19世纪末期以后的还相对可靠一些,更久远的,可靠性就要大打折扣了。

因为这个问题非常复杂,所以在TAR的时候并没有给出火山喷发导致的气溶胶造成的辐射强迫。到了AR4的时候,虽然人们在这方面的了解有所增强,但是还是给不出这个辐射强迫。人们能够肯定的,只是这是一个负的辐射强迫,但是定量仍然很困难。在这个问题上,整个领域的科学认知程度仍然是低水平。

各类因素的辐射强迫总结

现在总结一下前面列出的所有的辐射强迫。拿2005年与1750年进行比较,这期间人类活动造成的温室气体排放加上工业污染,以及其他的种种因素,加在一起有一个中间值为+1.6W/m2,90%置信区间是+0.6W/m2到+2.4W/m2的一个正方向的辐射强迫。而大自然在这个期间,太阳辐射的变化提供了一个中间值+0.12W/m2,90%置信区间是+0.06W/m2到+0.30W/m2的一个正方向的辐射强迫;大自然的另外一个主要因素火山喷发,虽然还无法对其辐射强迫进行定量,但是可以肯定提供了一个负方向的辐射强迫。那么比较这三个因素,就可以说,人类活动所造成的正方向的辐射强迫,高于大自然在这个期间所造成的正方向的辐射强迫。而这个正方向的辐射强迫,就意味着有更多的能量留在了地球表面,导致地表的温度偏高。那么,究竟偏高了没有,偏高了多少呢?

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6 Responses to “IPCC说了什么?(八) 火山的影响”

  1. Ent说道:

    编辑也开始午夜党了吗……

  2. houtinghua说道:

    和对流层不同,平流层里面不同高度的气体交换非常缓慢,所以二氧化碳可以在某个高度停留较长时间。

    这里的二氧化碳应该是二氧化硫吧

  3. big_ken说道:

    最后一幅图总结得很漂亮。无论做多少成果出来,最终能够直观和漂亮的表述成果也是非常重要的。

    • 墨子说道:

      我更喜欢第一幅图。呵呵
      希望科技不断发展,无论地壳咋运动都不会危即到人类,那是我们最愿意看到的。。

  4. [...] 上一篇:IPCC说了什么?(八) 火山的影响 [...]

  5. 闫欢欢说道:

    二氧化硫氧化形成硫酸和硫酸盐气溶胶的指数递减时间是35天,与有的文章出入,本文该值偏大。

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