Vulkanen bezorgen de aarde koude rillingen

De uitbarsting is zo hevig dat die vanuit de ruimte te zien is. De Filipijnse vulkaan Pinatubo stuurt lava, as en gassen 40 kilometer de atmosfeer in. Zeker 350 mensen komen om door de uitbarsting zelf, en modderstromen en ziekten onder evacués brengen het dodental op ruim 700.

Maar even plotseling als het begon is er stilte. Lavastromen, metershoge ashopen en gloeiende lawines – het is allemaal voorbij. De wereldwijde gevolgen daarentegen beginnen nog maar net.

De uitbarsting van de Pinatubo vond plaats op 15 juni 1991, en NASA schat dat de temperatuur op aarde nog 15 maanden 0,6 °C verlaagd was. Daarmee is het de meest klimaatveranderende vulkaanuitbarsting van de laatste 100 jaar, en de gebeurtenis waarop veel van het onderzoek naar de afkoelende effecten van vulkanen is gebaseerd.

Dit was lang niet een van de grootste vulkaanuitbarstingen, maar wetenschappers vrezen dat matige en zware uitbarstingen in de toekomst aan kracht zullen winnen. Zes Britse wetenschappers tonen in een nieuwe studie, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, aan dat de opwarming van de aarde paradoxaal genoeg het afkoelende effect van vulkanen kan verergeren.

De onderzoekers schatten dat de alsmaar warmere aarde na een nieuwe Pinatubo-uitbarsting gedurende een aantal jaren gemiddeld 1 °C zal afkoelen, en dat nog zwaardere uitbarstingen de aarde in de vriezer zullen zetten met een afkoeling van 4 à 5 °C.

Nu de aarde zozeer opwarmt, kan afkoeling door vulkaanuitbarstingen als een voordeel klinken. Maar dat is het beslist niet.

Druppels sturen zonlicht terug

Vulkanen hebben een verkoelend effect doordat het zwaveldioxide dat ze uitstoten, zich met water en zuurstof in de atmosfeer verbindt tot minuscule druppeltjes zwavelzuur. De druppels weerkaatsen het zonlicht en sturen zo energie terug de ruimte in.

Maar willen de zwavelzuurdruppels een blijvend effect op het klimaat hebben, dan moet de vulkaan ze helemaal naar de stratosfeer schieten, die begint op 8-16 kilometer hoogte, afhankelijk van de breedtegraad en het seizoen. En dat gebeurt alleen bij zware vulkaanuitbarstingen.

De onderste laag van de atmosfeer, de troposfeer, is warm en vochtig. Hier bevindt zich 99 procent van alle waterdamp in de atmosfeer. Als het zwavelzuur in de troposfeer blijft, wordt het opgevangen door weersystemen en na een paar weken met de regen weggespoeld. De stratosfeer daarentegen is droog en koud, en daar kan zwavelzuur vijf tot tien jaar blijven hangen.

In hun nieuwe onderzoek in Nature tonen de zes Britse wetenschappers onder leiding van geofysicus Thomas J. Aubry aan dat de opwarming van de aarde de grens tussen de troposfeer en de stratosfeer omhoog stuwt. Lichte en matige vulkaanuitbarstingen werken nu minder verkoelend omdat minder zwavelzuurdruppels de stratosfeer bereiken.

Maar de studie toont ook aan dat de eruptiezuil van zware vulkaanuitbarstingen groter wordt, zodat veel druppels toch de stratosfeer bereiken. En naarmate de luchtstromen in de stratosfeer sterker worden door de opwarming van de aarde, komen de druppels hoger en worden ze meer over de aarde verspreid.

In een warmer klimaat zal ook zwaveldioxide van vulkanen omgezet worden in veel meer en kleinere zwavelzuurdruppeltjes. Kleinere druppels zijn over het algemeen betere spiegels omdat ze een groot oppervlak hebben in verhouding tot hun volume.

Ook kunnen kleine druppeltjes langer in de stratosfeer blijven hangen zonder te vallen, en samen versterken deze twee effecten het afkoelende effect.

Koeling neemt 60 procent toe

In hun onderzoek combineerden de onderzoekers een computermodel van vulkaanuitbarstingen met een klimaatmodel waarin de effecten van zowel broeikasgassen als aerosolen, waaronder de minuscule zwavelzuurspiegeltjes, verwerkt zijn.

Op grond daarvan schatten de onderzoekers dat de klimaateffecten van de zware vulkaanuitbarstingen die de planeet een- of tweemaal per eeuw meemaakt, 15 procent erger zullen zijn. Dat lijkt niet veel, maar samen met andere verbanden tussen klimaatverandering en vulkaanuitbarstingen vormt het een giftige klimaatcocktail.

Zo tonen zes Amerikaanse klimaatwetenschappers onder leiding van meteoroloog John Fasullo in een artikel in Nature uit 2017 aan dat de oceanen door de opwarming van de aarde gelaagder worden. Daardoor zal vooral het diepe water minder circuleren.

Als het klimaat afkoelt, wordt het oppervlaktewater kouder. Normaal zou het koele water zinken en plaatsmaken voor warmer water van onderaf, maar in de toekomst zullen de oceanen de afkoeling door vulkaanuitbarstingen moeilijker kunnen neutraliseren. De zes klimaatwetenschappers schatten dat de afkoeling na grote uitbarstingen alleen al door die gelaagdheid van de zee wel 40 procent zal toenemen.

Thomas J. Aubry en zijn collega’s houden ook rekening met het effect van oceanen. Ze concluderen dat de afkoeling door vulkaanuitbarstingen zelfs 60 procent wordt verergerd als de effecten bij elkaar worden opgeteld.

De wereldwijde afkoeling door een toekomstige Pinatubo-uitbarsting zal dus niet 0,6 °C bedragen, maar 1 °C. Grotere vulkanen zetten de verwarming dus flink hoger.

Vulkaan leidt tot hongersnood

De laatste 200 jaar heeft de mensheid al een keer de verwoestende gevolgen van zo’n afkoeling ondervonden.

Op 10 april 1815 barstte de Indonesische vulkaan Tambora uit, waarbij 100 miljoen ton zwavelzuur de lucht in vloog. In de maanden en jaren daarna was het op aarde ruim 1 °C kouder.

De gevolgen waren verstrekkend. In Europa mislukten oogsten, waardoor de ergste hongersnood van de 19e eeuw ontstond. In Noord-China stierven bomen, gewassen en vee. En in Zuidwest-Azië veroorzaakte een snellere moesson enorme overstromingen en een dodelijke cholera-epidemie.

Wanneer geofysici verder terug in de geschiedenis kijken, vinden ze nog veel zwaardere uitbarstingen. Ze kennen de effecten van oude vulkaanuitbarstingen van ijskernen die uit ijskappen in Groenland en Antarctica geboord zijn. De boorkernen geven een vrij nauwkeurig beeld van de temperatuur van de atmosfeer ten tijde van de vorming van het ijs.

Vooral de uitbarsting van de Okmok-vulkaan in Alaska in 43 v.Chr. springt eruit. Het noordelijk halfrond beleefde enkele van de koudste jaren sinds het einde van de laatste ijstijd, zo’n 11.700 jaar geleden. Studies tonen aan dat 43 v.Chr. en het volgende jaar op nummer twee en acht stonden van de koudste jaren in de afgelopen 2500 jaar. Uit metingen van ijskernen vergeleken met groeiringen in bomen blijkt dat de temperatuur 3 °C daalde in 43 v. Chr. en 2,5 °C in het jaar daarop.

Wanneer we dus rekening houden met het effect van de huidige klimaatverandering op de afkoeling, zou het hier na een nieuwe uitbarsting zoals die van de Okmok plotseling een aantal jaren 3, 4 of 5 °C kouder kunnen worden. En daar zijn ecosystemen en de landbouw niet tegen bestand.

Uit onderzoek blijkt zelfs dat vulkanen op een warmere aarde vroegtijdig dreigen uit te barsten, waardoor het aantal erupties hand over hand kan toenemen. De Britse geoloog Bill McGuire toonde aan dat de vulkanische activiteit twee tot zes keer zo hoog is in perioden van grote klimaatveranderingen als in tijden met een stabiel klimaat.

Meer magma door smeltend ijs

McGuire bestudeerde vulkanen in IJsland en rond de Middellandse Zee. Hier bereikte de vulkanische activiteit een hoogtepunt tussen de 17.000 en 6000 jaar geleden, toen heel veel ijs uit de laatste ijstijd smolt en de zeeën ruim 100 meter stegen.

De extra uitbarstingen zijn deels te wijten aan de verandering in druk. De druk in de aardkorst daalt doordat gletsjers smelten, waardoor ook het smeltpunt van het gesteente afneemt. Hierdoor ontstaat meer magma en neemt het risico van vulkaanuitbarstingen toe.

Dit effect is zeer relevant in de context van de opwarming van de aarde. Metingen met de GRACE-satelliet, die in 2002 gelanceerd werd, tonen aan dat er elk jaar 100 tot 550 miljard ton ijs verloren gaat.

Het smeltende gletsjerijs kan uitbarstingen ook versnellen op andere manieren dan door het creëren van nieuw magma.

Het gewicht van het ijs stabiliseert de magmakamers vlak onder het oppervlak. Als het ijs smelt en de druk daalt, komen in de magmakamer vluchtige stoffen vrij. Die zitten bij hoge druk in de gesmolten gesteentemassa, maar vormen bij lagere druk gassen.

Als die vrijkomen, stijgt de druk in de magmakamer weer explosief. Hierdoor kookt de vulkaan over, net zoals wanneer je een fles frisdrank schudt en de dop losdraait.

Smeltwater en grote hoeveelheden regenwater die door scheuren en spleten in de magmakamer dringen en verdampen, hebben hetzelfde effect. En de opwarming van de aarde veroorzaakt meer neerslag in sommige delen van de wereld.

Gevaarlijke vulkanen liggen te sluimeren

Wetenschappers hebben nu dus een gloednieuw en verontrustend inzicht in de koudeshock die de aarde na toekomstige vulkaanuitbarstingen te wachten staat.

De lijst van dreigende vulkanen is lang. Maar de uitdaging is dat we van de gevaarlijkste waarschijnlijk nog nooit gehoord hebben. Vulkanen die tot echt zware erupties in staat zijn, barsten alleen met heel lange tussenpozen uit, en meestal zijn ze bezig kracht te verzamelen.

Drie Amerikaanse geologen hebben dit probleem belicht in een artikel uit 2018 in het tijdschrift Geosphere. Daarin wijzen ze de vulkanen aan die de meeste kans maken op een uitbarsting van zeven van de acht op de ‘schaal van Richter voor vulkanen’, de VEI.

VEI staat voor vulkaanexplosiviteitsindex, een maat voor de energie die bij vulkaanuitbarstingen vrijkomt. De schaal volgt, net als de schaal van Richter, het tientallig logaritme, dus de uitbarsting wordt met elke schaal tien keer zo zwaar.

Uitbarstingen van zeven komen in perioden van een stabiel klimaat twee tot drie keer per millennium voor – en waarschijnlijk vaker in een onstabiele periode als de huidige. Zulke zware uitbarstingen hebben grote gevolgen, van de gloeiende lawine die over het landschap stroomt tot een temperatuurdaling die tot 10.000 kilometer verderop merkbaar is.

De laatste reusachtige uitbarsting was die van de Tambora, ruim 200 jaar geleden. Tijdens zo’n uitbarsting stoot de vulkaan ruim 100 kubieke kilometer materiaal uit, waaronder 60 miljoen ton zwavel.

Het eerste resultaat van het werk van de drie geologen is een lijst met zes criteria voor een uitbarsting van VEI-7. De vulkaan moet bijvoorbeeld al eens zo’n zware uitbarsting hebben gehad en het magma moet van de meest explosieve soort zijn.

Verontrustend is dat de lijst meer dan 100 vulkanen telt, waarvan 11 in Europa. De nabije vulkanen zijn geconcentreerd in de continentale breukzone tussen Europa en Afrika en liggen in Turkije, Italië en Griekenland, waarbij Santorini en Kos de bekendste zijn.

Al maken we ons dus zorgen over de gevolgen van de stijgende temperaturen, we hebben ook reden om te vrezen dat de aarde in de vriezer zal belanden, want de jarenlange kou van een grote vulkaanuitbarsting zal allesbehalve een aangename verkoeling zijn.

Zowel de maatschappij als de natuur proberen zich voortdurend aan te passen aan de opwarming van de aarde. Zo gaan we andere gewassen verbouwen, en veel soorten migreren naar koelere streken rond de polen. Een plotselinge en sterke afkoeling zal dus een extra klap betekenen voor de landbouw en ecosystemen, die toch al onder druk staan.

Als de Okmok-uitbarsting van 43 v.Chr. een leidraad is, kunnen de gevolgen van afkoeling verstrekkend zijn. Volgens wetenschappers droeg de eruptie bij tot het einde van de Romeinse Republiek en de laatste Egyptische dynastie.