FAQ 11.2 | Wie beeinflussen Vulkanausbrüche das Klima und unsere Fähigkeit, das Klima vorherzusagen?

Große Vulkanausbrüche beeinflussen das Klima, indem sie Schwefeldioxidgas in die obere Atmosphäre (auch Stratosphäre genannt) einspeisen, das mit Wasser reagiert und dadurch Wolken aus Schwefelsäuretröpfchen bildet. Diese Wolken reflektieren Sonnenlicht zurück ins All und verhindern so, dass dessen Energie die Erdoberfläche erreicht, was die Erdoberfläche zusammen mit der unteren Atmosphäre kühlt. Diese Schwefelsäurewolken der oberen Atmosphäre absorbieren auch lokal Energie von der Sonne, der Erde und der unteren Atmosphäre, was die obere Atmosphäre erwärmt (siehe FAQ 11.2, Abbildung 1). Hinsichtlich einer Abkühlung der Erdoberfläche brachte zum Beispiel der Ausbruch des Mt. Pinatubo auf den Philippinen 1991 circa 20 Millionen Tonnen Schwefeldioxid (SO2) in die Stratosphäre ein, was die Erde für bis zu ein Jahr um 0,5 °C abkühlte. Global betrachtet verringern Vulkanausbrüche auch den Niederschlag, da die verminderte einfallende kurzwellige Strahlung an der Erdoberfläche durch eine Abnahme der latenten Wärme (z. B. in Verdunstung und daher auch Niederschlag) ausgeglichen wird.

Für die Klimavorhersage kann davon ausgegangen werden, dass es einen Vulkanausbruch geben wird, der eine signifikante globale Abkühlung an der Erdoberfläche und eine Erwärmung der oberen Atmosphäre für etwa das nächste Jahr verursacht. Zwar kann festgestellt werden, dass ein Vulkan aktiver geworden ist, das Problem ist jedoch, dass der genaue Zeitpunkt eines Ausbruchs oder die Menge an SO2, die in die obere Atmosphäre eingebracht wird, und die Verteilung dieser Menge nicht vorhergesagt werden können. Dies ist eine Unsicherheitsquelle in Klimavorhersagen.

Große Vulkanausbrüche erzeugen sehr viele Partikel, die Asche oder Tephra genannt werden. Diese Partikel fallen jedoch schnell, innerhalb von Tagen oder Wochen, aus der Atmosphäre aus und beeinflussen daher das globale Klima nicht. Der Ausbruch des Mount St. Helen 1980 zum Beispiel beeinflusste die Erdoberflächentemperaturen im Nordwesten der USA einige Tage lang, hatte aber keine nachweisbaren Folgen für das globale Klima, da er wenig SO2 in die Stratosphäre emittierte. Wenn große Vulkanausbrüche in hohen Breiten Schwefel in die Stratosphäre einbringen, haben sie nur auf die Hemisphäre Auswirkung, in der die Eruption stattgefunden hat. Die Auswirkungen dauern dabei höchstens ein Jahr an, da die von ihnen erzeugte stratosphärische Wolke nur eine Lebensdauer von einigen Monaten hat.

Tropische oder subtropische Vulkane erzeugen eine globalere Abkühlung der Erdoberfläche oder der Troposphäre. Grund hierfür ist, dass die entstehende Schwefelsäurewolke in der oberen Atmosphäre zwischen einem und zwei Jahre bestehen bleibt und einen Großteil des Globus bedecken kann. Allerdings sind ihre regionalen Folgen für das Klima schwierig vorherzusagen, da die Verteilung stratosphärischer Sulfat-Aerosole stark von den atmosphärischen Windbedingungen zum Zeitpunkt der Eruption abhängt. Außerdem ist der Abkühlungseffekt an der Erdoberfläche üblicherweise nicht einheitlich: Da Kontinente stärker abkühlen als der Ozean, kann sich der Sommermonsun abschwächen und so Regenfälle über Asien und Afrika verringern. Die Klimawirkung wird weiter kompliziert durch die Tatsache, dass Wolken aus Eruptionen in den Tropen in der oberen Atmosphäre auch Sonnenlicht und Wärme von der Erde absorbieren, was in den Tropen mehr Erwärmung der oberen Atmosphäre als in den hohen Breiten hervorruft.

Die größten Vulkanausbrüche der letzten 250 Jahre regten wissenschaftliche Untersuchungen an. Nach dem Ausbruch des Laki auf Island 1783 gab es warme Sommertemperaturen in Rekordhöhe in Europa, auf die ein sehr kalter Winter folgte. Zwei große Eruptionen, eine nicht identifizierte 1809 und der Ausbruch des Tambora 1815 verursachten 1816 das „Jahr ohne Sommer“. Die Missernten in Europa und den USA in diesem Jahr führten zu Nahrungsmittelknappheit, Hungersnöten und Aufständen.

Die größte Eruption in mehr als 50 Jahren, die des Agung 1963, führte zu vielen neuzeitlichen Untersuchungen, einschließlich Beobachtungen und Klimamodellberechnungen. Zwei darauffolgende große Eruptionen, El Chichón 1982 und Pinatubo 1991, regten die Arbeiten an, die zu unserem heutigen Verständnis über die Auswirkungen von Vulkanausbrüchen auf das Klima führten.

Vulkanische Wolken verbleiben nur einige Jahre in der Stratosphäre, daher ist ihr Einfluss auf das Klima entsprechend kurz. Aber die Folgen aufeinanderfolgender großer Eruptionen können länger anhalten: Zum Beispiel gab es Ende des 13. Jahrhunderts vier große Eruptionen – eine alle zehn Jahre. Die erste, 1258 n. Chr., war die größte in 1000 Jahren. Diese Abfolge von Ausbrüchen kühlte den Nordatlantik und das arktische Meereis. Ein weiterer interessanter Zeitraum sind die drei großen, und mehrere kleineren, vulkanischen Ereignisse in der Zeit 1963–1991 (siehe Kapitel 8 für Erläuterungen, wie diese Ausbrüche die atmosphärische Zusammensetzung beeinflussten und die kurzwellige Strahlung am Boden verringerten).

Vulkanologen können feststellen, wenn ein Vulkan aktiver wird. Sie können allerdings nicht vorhersagen, ob er ausbrechen wird oder, falls er es tut, wie viel Schwefel er in die Stratosphäre einbringen könnte. Trotzdem beeinflussen Vulkane die Fähigkeit, das Klima vorherzusagen, auf drei unterschiedliche Arten. Erstens, wenn eine gewaltige Eruption erhebliche Mengen Schwefeldioxid in die Stratosphäre einbringt, kann dieser Effekt in Klimaprojektionen einbezogen werden. Es bestehen erhebliche Herausforderungen und Unsicherheitsquellen, wie beispielsweise die Erhebung guter Beobachtungsdaten über die vulkanische Wolke und die Berechnung ihrer Bewegung und Veränderung während ihrer Lebensspanne. Basierend auf Beobachtungen und erfolgreichen Modellierungen jüngster Eruptionen können aber einige der Auswirkungen großer Vulkanausbrüche in Vorhersagen aufgenommen werden.

Der zweite Effekt besteht darin, dass Vulkanausbrüche eine potentielle Unsicherheitsquelle in unseren Vorhersagen darstellen. Ausbrüche können nicht vorab vorhergesagt werden, werden aber stattfinden und dadurch kurzzeitige klimatische Folgen auf sowohl lokalen als auch globalen Maßstäben verursachen. Prinzipiell kann diese potenzielle Unsicherheit durch das Einfügen zufälliger Eruptionen oder von Eruptionen, die auf einem Szenario in unseren zeitnahen Ensembleklimaprognosen basieren, berücksichtigt werden. Dieses Forschungsgebiet erfordert weitere Untersuchungen. Die Zukunftsprojektionen in diesem Bericht beinhalten keine zukünftigen Vulkanausbrüche.

Drittens kann man historische Klimaaufzeichnungen gemeinsam mit Schätzungen beobachteter Sulfat-Aerosole nutzen, um die Genauigkeit unserer Klimasimulationen zu testen. Obwohl die Klimareaktion auf explosive Vulkanausbrüche ein nützliches Analogon für einige andere Klimaantriebe ist, gibt es Beschränkungen. Zum Beispiel kann die erfolgreiche Simulation der Folgen einer Eruption dabei helfen, Modelle für saisonale und jährliche Vorhersagen zu validieren. Aber auf diese Weise können nicht alle Mechanismen, die an der globalen Erwärmung im Verlaufe des nächsten Jahrhunderts beteiligt sind, validiert werden, da an diesen langfristige ozeanische Wechselwirkungen beteiligt sind, die auf längeren Zeitskalen ablaufen als die Reaktion auf einzelne Vulkanausbrüche.

FAQ 11.2, Abbildung 1 | Schaubild, wie große tropische oder subtropische Vulkane die oberen (stratosphärischen) und unteren (troposphärischen) Atmosphärentemperaturen beeinflussen.