Proč mohou velké sopečné erupce ochladit Zemi?

Nápad spojit zakalenou oblohu s chladem vznikl dávno před družicemi. Benjamin Franklin v roce 1784 uvažoval o souvislosti neobvyklého zákalu a chladného počasí s islandským vulkanismem. William Humphreys v roce 1913 rozvíjel vysvětlení přes vliv částic ve stratosféře na záření. Tehdejší označení „sopečný prach“ však nebylo vždy dnešním přesným označením minerálního popela. Historie začíná obecnější otázkou, jak sopečný zákal mění přenos sluneční energie. (Robock 2000, úvod)

Popel je pro takové vysvětlení přirozeným kandidátem. Při explozi vznikají úlomky hornin a vulkanického skla, které vítr roznáší do okolí. Část dopadajícího světla rozptýlí do jiných směrů, část pohltí. K povrchu se pak dostane méně sluneční energie. Kdyby měl popel způsobovat i dlouhodobější ochlazení, musel by zůstat hlavní složkou, která světlo zeslabuje, také během následujících měsíců. (Robock 2000, oddíly 2 a 3)

První test: co udělá čerstvý oblak s teplotou?

Erupce Mount St. Helens z 18. května 1980 umožnila sledovat oblak při přechodu nad meteorologickými stanicemi. Alan Robock a Clifford Mass porovnali naměřené teploty s předchozím dnem a s předpověďmi počasí, které účinek erupce nezahrnovaly. Během dne odhadli místní potlačení teploty až o 8 °C. Po příchodu hustého oblaku se povrch skutečně méně ohříval. (Robock a Mass 1982)

V noci se ale znaménko obrátilo. Nízko ležící oblak pohlcoval a znovu vyzařoval tepelné záření, také směrem k povrchu. Teploty byly místy až o 8 °C vyšší, než by odpovídalo vývoji bez oblaku. Oba účinky rychle slábly další den, kdy se oblak rozptyloval a přesouval na východ. Studie tak potvrdila silné místní působení popela, zároveň však ukázala, že denní zastínění samo neříká ani délku, ani celkové znaménko teplotního účinku. (Robock a Mass 1982)

Druhý test: z čeho je vrstva, která přetrvává?

U Pinatuba šlo sledovat různé složky oblaku odděleně. Meteorologická družice ještě do 17. června 1991 jasně zachycovala hlavní oblak popela. Později se tato stopa ztrácela, zatímco jiná měření dál sledovala oxid siřičitý a vznikající aerosolovou vrstvu. Její zeslabování světla přetrvávalo mnohem déle. Proto bylo nutné určit, co tuto pozdější vrstvu tvoří. (Self a kol. 1996, rozptyl oblaku popela a plynu)

Rozbor infračerveného záření procházejícího vrstvou ukazoval roztok kyseliny sírové a vody. Letecké odběry přitom nacházely i úlomky minerálů obalené kyselinou, těsně nad spodním okrajem stratosféry ještě v březnu 1992. Popel tedy nezmizel všechen během několika dnů. Rozhodující zjištění je jiné: hlavní dlouhodobou aerosolovou vrstvou nebyl samotný oblak rozdrcené horniny, ale kapalné částice vytvořené ze sirných plynů. (Self a kol. 1996, vznik a šíření aerosolů)

Popel proto hodnotíme jako nedostatečné vysvětlení déletrvajícího ochlazení. Jeho vliv na teplotu byl přímo pozorován a jemné částice mohou ve výšce přetrvat měsíce. Dlouhodobý zákal po Pinatubu však vyžaduje vysvětlení vzniku a působení sirných kapek. To musí obstát také v měření energie a teploty, nikoli pouze ve zjištění jejich přítomnosti. (Robock 2000) (Self a kol. 1996)

Vysvětlení pomocí sirných kapek se rozvíjelo s měřením složení a velikosti stratosférických částic. Velkou příležitost poskytly erupce Agungu v roce 1963 a El Chichónu v roce 1982. Pozorování po nich umožnila spojovat chemické složení částic s výpočtem jejich radiačního účinku. Když vybuchlo Pinatubo, nešlo už o nový nápad vymyšlený podle následného poklesu teploty. Existovala měření starších erupcí i fyzikální modely, ze kterých šla odvodit nová předpověď. (Hansen a kol. 1992, úvod) (Robock 2000)

Výchozí látkou je především oxid siřičitý, plyn se značkou SO₂. Ve stratosféře se během několika týdnů účastní reakcí, při kterých vzniká kyselina sírová. Ta společně s vodou vytváří nové kapky a zvětšuje částice, které už ve vzduchu jsou. Drobná kapka padá velmi pomalu. Nad oblastí běžných dešťových oblaků navíc chybí rychlé vymývání částic srážkami. Vzniklá vrstva proto může ovlivňovat záření ještě dlouho po erupci. (Robock 2000, oddíl 2)

Kapky přitom nepůsobí na všechno záření stejně. Část slunečního světla rozptýlí zpět do vesmíru, a tím ubírají energii povrchu. Zároveň pohlcují část blízkého infračerveného záření ze Slunce a tepelného záření přicházejícího zdola. Tato energie ohřívá aerosolovou vrstvu. Společnou předpovědí je proto přetrvávající kapalný aerosol, větší odraz světla a opačná odezva teploty pod vrstvou a v ní. (Robock 2000, oddíl 3)

První test: složení částic a jejich působení na světlo

Chemické určení kapek lze spojit s laboratorním měřením. Kent Palmer a Dudley Williams v roce 1975 proměřovali průchod a odraz světla v roztocích kyseliny sírové o různých koncentracích. Zahrnuli viditelné i infračervené záření. Získali tak údaje o tom, jak se v roztoku světlo láme a jak silně se pohlcuje. Jejich práce souvisela také s oblaky Venuše, ale změřené vlastnosti látky slouží i při výpočtu účinku kapek v zemské atmosféře. (Palmer a Williams 1975)

Po Pinatubu se dala tato látková stopa hledat přímo ve stratosféře. Infračervená měření odpovídala kapkám obsahujícím podle použitého rozboru 59–77 % kyseliny sírové hmotnostně, zbytek tvořila voda. Letecké a balónové přístroje současně zjišťovaly velikost a počet částic. Ze složení a velikosti lze spočítat jejich optické působení a porovnat je s pozorovaným zeslabením světla. První test tak spojuje vlastnost látky změřenou v laboratoři se skutečnou částicovou vrstvou. (Self a kol. 1996, vznik aerosolů)

Druhý test: odchází ze Země více energie?

Rozptyl na kapkách má zvýšit množství sluneční energie odcházející do vesmíru. Aby převážilo ochlazování, musí tento přírůstek překonat případný úbytek odcházejícího tepelného záření. Patrick Minnis a kolegové proto využili družicový experiment ERBE, který obě složky rozlišoval. Jednotlivé měsíce po erupci porovnávali se stejnými měsíci let 1985–1989. Tak omezili záměnu sopečné změny s pravidelným střídáním ročních období. Princip měření vysvětluje metoda měření radiačních toků. (Minnis a kol. 1993)

V srpnu 1991 vyšel v pásu mezi 40° jižní a 40° severní šířky čistý ochlazující účinek 4,3 W/m². To znamená pokles čistého příjmu energie o 4,3 joulu za sekundu na každý metr čtvereční této oblasti. Změna odrazu slunečního záření převážila souběžnou změnu tepelného vyzařování. Výsledek překročil obvyklé kolísání v porovnávacím období. Družice tím zachytila očekávaný mezičlánek mezi aerosolem a ochlazením. Uvedené číslo je oblastní měsíční výsledek, nikoli hodnota pro celou Zemi a celé trvání erupčního účinku. (Minnis a kol. 1993, obrázek 2 a s. 1412)

Třetí test: podařilo se předpovědět následnou teplotu?

James Hansen a kolegové zveřejnili v lednu 1992 výpočet, který využíval dosavadní odhady množství a vlastností pinatubského aerosolu. Model z nich počítal změnu záření a následnou teplotní odezvu. Předpovídal výrazné, ale přechodné ochlazení s maximem na konci roku 1992. Současný teplý stav tropického Pacifiku, El Niño, mohl nejnižší teplotu posunout do roku 1993. Hlavní pokles tedy zkoušeli předem, ještě před jeho očekávaným vrcholem. (Hansen a kol. 1992)

Pozorované teploty v letech 1992–1993 skutečně poklesly. Silnější zkouška ale vyžaduje oddělit sopečnou odezvu od oceánského kolísání a ověřit i její rozložení ve výšce. Yaowei Li a kolegové v roce 2026 analyzovali družicové teploty z let 1986–2024. Po oddělení dlouhodobého vývoje, slunečního cyklu a hlavních přirozených výkyvů našli po Pinatubu výrazné oteplení stratosféry a ochlazení troposféry. Porovnávali je s velikostí běžného kolísání odhadnutou z měření i z modelů. Obě teplotní stopy byly rozlišitelné od tohoto kolísání. (Li a kol. 2026, obrázky 1–3)

Jiný druh kontroly provedl Roberto Bilbao s kolegy v roce 2024. V šesti předpovědních systémech zopakovali výpočty začínající před erupcemi Agungu, El Chichónu a Pinatuba. V jedné sadě zahrnuli známý sopečný aerosol, v druhé ponechali pouze jeho běžné pozadí. Se zahrnutím erupcí dostali celkově lepší shodu povrchových teplot s měřením. U Pinatuba se zlepšilo zejména zachycení vývoje severního Atlantiku. Jde o zpětný test se známými aerosoly, nikoli o předpověď samotné erupce. (Bilbao a kol. 2024, oddíly 2 a 3.3)

Přijaté vysvětlení tedy stojí na několika spojených důkazech. Složení částic odpovídá sirným kapkám, změna odcházející energie má ochlazující směr a teplotní odezva odpovídá fyzice přenosu záření. Modelové porovnání navíc ukazuje, že zahrnutí aerosolu pomáhá vysvětlit měření i v různých výpočetních systémech. Odborná syntéza IPCC proto hodnotí stratosférické sopečné aerosoly jako ochlazující působení na klimatický systém. (IPCC AR6, oddíl 7.3.4.6) (Bilbao a kol. 2024)