Satellitbaserade mätningar av vulkanism för att reducera osäkerheter i klimatmodeller

Explosiva vulkanutbrott kan injicera stora mängder SO2 till stratosfären där gasen bildar aerosolpartiklar. Stora sådana utbrott kan ha en stark klimatpåverkan och sänka Jordens temperatur betydligt under månader eller flera år. Hur mycket partiklarna kyler klimatet beror bl.a. på var utbrotten sker och hur högt SO2 injiceras. Injektionshöjden avgör vilken väg den bildade aerosolen transporteras i stratofären och hur lång tid den stannar kvar och kyler klimatet. För att förstå människans påverkan på klimatet krävs att vi kan göra god estimering av naturliga variationer såsåom vulkanismens påverkan på klimatet.
I detta projekt kommer vi att använda ett satellit-dataset av SO2 som skapats inom ett pågende projekt inom vår forskningsgrupp. Vi har skapat högupplösta vertikalprofiler av vulkaniska lager av SO2 i stratosfären. Dessa kommer att läggas in i en global klimatmodell för att simulera partikelbildning, transport inom och ut ur straosfären, samt påverkan på strålningsbalans och Jordens temperatur. Modellresultaten kommer att utvärderas mot ett satellitbaserat dataset över stratosfärens aerosol som nyligen tagits fram av den sökande. Detta projekt kombinerar alltså 2 nya satellitdataset som kommer att utvecklas ytterligare inom projektet, och användas för att förbättra modellers representation av stratosfärens aerosol och ge bättre uppskattning av vulkanismens påverkan på Jordens klimat. Det övergripande målet är alltså att minska osäkerheten i dagens klimatmodeller.

Detta projekt är en studie i vulkanutbrotts klimatpåverkan och hur denna påverkas av utbrottens styrka, injektionshöjd, geografiska plats, och tid på året. Vulkaner spyr ut stora mängder svaveldioxid som i luften omvandlas till svavelsyra som i sin tur bildar små så kallade aerosolpartiklar. Dessa vulkaniska aerosolpartiklar är mindre än bakterier och kan stanna i luften i timmar, dagar, eller år beroende på vilken höjd och plats de bildas. I de lägsta luftlagren försvinner de inom några dagar medan de i stratosfären (luften ovanför ca 10-17 km höjd) stannar betydligt längre. I stratosfärens lägsta del har de en livstid på många månader och över 20 km höjd kan de stanna flera år. De små svavelsyrapartiklarna sprider tillbaka en del av solens ljus ut till rymden och minskar därför solinstrålningen till Jordytan. Detta ger en kylning utav Jordens klimat och effekten varar så länge partiklarna finns kvar, det vill säga upp till flera års tid för partiklar högt upp i stratosfären. Mätningar och rekonstruktioner av historiska vulkanutbrott visar att enskilda utbrott kan sänka Jordens medeltemperatur med flera grader. Kylningen kan alltså vara kraftigare än den globala uppvärmning på 1.2 grader som människan gett. Men det är inte bara de stora utbrotten som är viktiga för klimatet. Även mindre utbrott kan ge en mätbar kylning och detta syns faktiskt i temperaturtrenden för de senaste decennierna. Ett exempel på detta är att den globala uppvärmningen stannade av något under början av detta sekel, bl.a. pga. att en rad vulkanutbrott minskade solinstrålningen till Jorden.

Prognoser över framtidens klimat bygger på att klimatmodeller kan simulera både människans och naturens påverkan på klimatet. Modellernas känslighet för olika faktorer testas mot historiska temperaturdata och ställs in för att kunna simulera dessa. Det är därför viktigt att varje betydelsefull faktor är realistiskt representerad i klimatmodellerna.

Vulkanutbrott kan läggas in i modellerna som plymer med svaveldioxid vid vissa höjder, platser, och tidpunkter. Dagens dataset över svaveldioxid har en lägre upplösning än modellerna. Därför har det fram tills nu krävts en rad antaganden om hur vulkanplymerna fördelats vertikalt för att beräkna deras klimatpåverkan. Dessa antaganden leder till osäkerheter och kan leda till att vulkaners påverkan på klimatet underskattas eller överskattas.

Genom att följa partiklarna i stratosfären med satellitdata, har vi sett att god höjdupplösning är av yttersta vikt för att kunna förutse partiklarnas transportvägar och livstid i stratosfären. Vi har därför skapat två dataset med hög upplösning, ett för svaveldioxid och ett för aerosolpartiklar. Inom projektet kommer dessa två dataset att expanderas till att täcka en lång tidsperiod (2006-2023) och slutligen anpassas för att kunna användas med modellen.

Vi kommer att använda vårt högupplösta svaveldioxid-data som input till en klimatmodell och undersöka hur klimatkylningen påverkas av vulkanutbrottens styrka, injektionshöjd, geografiska plats, och tid på året. Modellresultaten kommer sedan att jämföras med vårt högupplösta aerosolpartikel-data för att undersöka om modellen kan simulera den observerade förekomsten av partiklar i stratosfären. I den mån det krävs kommer modellen att justereras genom fortsatt jämförelse med vårt partikeldata. Här kommer vi att testa 3-4 utbrott med varierande karaktär, såsom injektionshöjd, svaveldioxid-mängd och geografisk plats. Skillnader och likheter mellan utbrotten kommer att utnyttjas i detta steg. När modellen visar sig kunna modellera olika typer utav utbrott kommer vi att modellera samtliga vulkanutbrott som haft betydande klimatpåverkan sedan år 2006. Just nu rör det sig om minst 15 utbrott och det kommer sannolikt fler under projektets tidsram. Slutligen kommer vi att modellera framtida potentiella utbrott med olika karaktär. Vid framtida utbrott kan sedan deras karaktär användas för att uppskatta kylningen utan att behöva modellera dem individuellt.