DOI: https://doi.org/10.1029/2023gl107630
تاريخ النشر: 2024-04-20
المؤلف: Xin Zhou وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأوزون الجوي والمناخ
نظرة عامة
أدى ثوران بركان هونغا تونغا-هونغا هاباي (HTHH) في يناير 2022 إلى حقن حوالي 150 تيراغرام (Tg) من بخار الماء (H₂O) في الستراتوسفير، إلى جانب كمية صغيرة من ثاني أكسيد الكبريت (SO₂). نموذج النقل الكيميائي ثلاثي الأبعاد (CTM) محا بشكل فعال انتشار هذا البخار، متماشياً مع الملاحظات من جهاز قياس الأطياف الميكروويف حتى أكتوبر 2023. ومن الجدير بالذكر أن الجفاف داخل دوامة القطب الجنوبي في 2023 سهل الإزالة الأولية الكبيرة لحوالي 20 Tg من HTHH H₂O من الستراتوسفير. يتوقع نموذج CTM أن تكون هذه العملية الجافة هي الآلية الرئيسية لإزالة HTHH H₂O في السنوات القادمة، متنبئاً بفترة زمنية تبلغ أربع سنوات، مع توقع بقاء حوالي 25 Tg من بخار الماء المحقون في الستراتوسفير بحلول عام 2030.
فيما يتعلق بتداعياته، من المتوقع أن يساهم زيادة بخار الماء في الستراتوسفير، وهو غاز دفيئة قوي، في الاحترار في التروبوسفير وإحداث تغييرات في كيمياء الستراتوسفير وديناميات الهباء الجوي. تم التحقق من أداء النموذج مقابل بيانات الأقمار الصناعية، مما كشف أنه بينما يلعب الجفاف في فصل الشتاء في القارة القطبية الجنوبية دوراً حاسماً في إزالة بخار الماء البركاني، فإن معدل الإزالة الكلي بطيء نسبياً. علاوة على ذلك، وُجد أن تأثير هذا البخار الزائد على استنزاف الأوزون خلال ثقب الأوزون في القارة القطبية الجنوبية في 2023 كان ضئيلاً، حيث حدث أقصى استنزاف قدره 10 وحدات دوبسون (DU) عند حافة دوامة القطب.
مقدمة
يُعتبر ثوران بركان هونغا تونغا-هونغا هاباي (HTHH) في 15 يناير 2022، أكثر الأحداث البركانية انفجاراً في العقود الثلاثة الماضية، حيث يتميز بحقن حوالي 150 تيراغرام (Tg) من بخار الماء (H₂O) في الستراتوسفير، مما يغير بشكل كبير الديناميات الجوية. هذا الثوران، الذي أطلق فقط 0.5 Tg من ثاني أكسيد الكبريت (SO₂)، يتحدى النماذج الحالية بشأن تأثيرات البراكين على المناخ، مما يشير إلى تأثير احترار صافي محتمل بسبب التأثير الإشعاعي السائد لـ H₂O. من المتوقع أن يؤثر الانتشار البطيء لـ H₂O من خلال دوران بروير-دوبسون (BDC) على كيمياء الستراتوسفير، مما يؤدي إلى استنزاف سريع للأوزون وتغيرات في أنواع النيتروجين التفاعلية.
تستخدم هذه الدراسة نموذج النقل الكيميائي ثلاثي الأبعاد (CTM) لمحاكاة التطور المكاني والزماني لـ H₂O المحقون، محققة توافقاً جيداً مع قياسات الأقمار الصناعية. تهدف الأبحاث إلى تقدير مدة بقاء H₂O الزائد في الستراتوسفير وتأثيراته على استعادة الأوزون في الستراتوسفير وتغير المناخ. من خلال تحليل تأثيرات زيادة H₂O على الأوزون من خلال الكيمياء الغازية والغير متجانسة، بما في ذلك السحب الستراتوسفيرية القطبية (PSCs)، توفر النتائج رؤى حاسمة حول العواقب الجوية طويلة الأمد لثوران HTHH، على الرغم من عدم تضمين ردود الفعل الديناميكية في النموذج.
نقاش
تستخدم الأبحاث نموذج النقل الكيميائي TOMCAT/SLIMCAT (CTM) للتحقيق في تأثيرات بخار الماء (H₂O) المحقون في الستراتوسفير بعد ثوران HTHH. النموذج، الذي يتضمن كيمياء الستراتوسفير الغازية بالتفصيل ونظاماً مبسطاً للسحب الستراتوسفيرية القطبية (PSCs)، يحاكي ديناميات H₂O من يناير 2022 إلى أكتوبر 2023. تشير النتائج الأولية إلى أن النموذج يمثل بدقة النقل والتوزيع لـ H₂O المحقون، مع توافق الشذوذات الملاحظة بشكل وثيق مع توقعات النموذج. من الجدير بالذكر أن النموذج يلتقط ديناميات حركة H₂O إلى نصف الكرة الجنوبي وتفاعله مع دوامة القطب الجنوبي، مما يظهر حدث جفاف كبير في منتصف 2023 يتماشى مع البيانات الملاحظة.
تسلط الدراسة الضوء على أن ترسيب سحب PSCs الجليدية يلعب دوراً حاسماً في إزالة H₂O المحقون من HTHH من الستراتوسفير، حيث يمثل أكثر من 60% من إجمالي الإزالة المودلة. تؤدي هذه العملية إلى انخفاض سريع في مستويات H₂O في الستراتوسفير خلال الشتاء الأسترالي، مع توقع النموذج لزوال طويل الأمد لـ HTHH H₂O يتجاوز سبع سنوات. كما تم تقييم التأثير على الأوزون في القارة القطبية الجنوبية، حيث أظهر أن H₂O المحقون كان له تأثير ضئيل في البداية في 2022، لكنه ساهم في استنزاف الأوزون في 2023 عندما اخترق دوامة القطب. ومع ذلك، فإن التأثير العام على مستويات الأوزون يتم تخفيفه من خلال العمليات الجافة القوية المرتبطة بـ PSCs. تؤكد النتائج على الحاجة إلى مزيد من النمذجة والدراسات الملاحظة لفهم العواقب طويلة الأمد لـ HTHH H₂O على كيمياء الستراتوسفير والمناخ بشكل كامل.
DOI: https://doi.org/10.1029/2023gl107630
Publication Date: 2024-04-20
Author(s): Xin Zhou et al.
Primary Topic: Atmospheric Ozone and Climate
Overview
The January 2022 eruption of Hunga Tonga-Hunga Ha’apai (HTHH) resulted in the injection of approximately 150 teragrams (Tg) of water vapor (H₂O) into the stratosphere, alongside a minor amount of sulfur dioxide (SO₂). A three-dimensional chemical transport model (CTM) effectively simulated the dispersion of this water vapor, aligning with observations from the Microwave Limb Sounder up to October 2023. Notably, dehydration within the Antarctic polar vortex in 2023 facilitated the initial significant removal of around 20 Tg of HTHH H₂O from the stratosphere. The CTM forecasts that this dehydration process will be the primary mechanism for HTHH H₂O removal in the ensuing years, predicting an e-folding timescale of four years, with approximately 25 Tg of the injected water vapor expected to persist in the stratosphere by 2030.
In terms of its implications, the increase in stratospheric water vapor, a potent greenhouse gas, is anticipated to contribute to warming in the troposphere and induce changes in stratospheric chemistry and aerosol dynamics. The model’s performance was validated against satellite data, revealing that while wintertime dehydration in Antarctica plays a crucial role in the removal of volcanic water vapor, the overall rate of removal is relatively slow. Furthermore, the impact of this excess water vapor on ozone depletion during the Antarctic ozone hole in 2023 was found to be minimal, with a maximum depletion of 10 Dobson Units (DU) occurring at the edge of the polar vortex.
Introduction
The eruption of the Hunga Tonga-Hunga Ha’apai (HTHH) volcano on January 15, 2022, is noted as the most explosive volcanic event in the past three decades, characterized by the injection of approximately 150 teragrams (Tg) of water vapor (H₂O) into the stratosphere, significantly altering atmospheric dynamics. This eruption, which released only 0.5 Tg of sulfur dioxide (SO₂), challenges existing paradigms regarding volcanic impacts on climate, suggesting a potential net warming effect due to the dominant radiative influence of H₂O. The slow dispersion of H₂O through the Brewer-Dobson circulation (BDC) is anticipated to affect stratospheric chemistry, leading to rapid ozone depletion and alterations in reactive nitrogen species.
This study employs a three-dimensional chemical transport model (CTM) to simulate the spatio-temporal evolution of the injected H₂O, achieving good alignment with satellite measurements. The research aims to estimate the longevity of excess H₂O in the stratosphere and its implications for stratospheric ozone recovery and climate change. By analyzing the effects of increased H₂O on ozone through gas-phase and heterogeneous chemistry, including polar stratospheric clouds (PSCs), the findings provide critical insights into the long-term atmospheric consequences of the HTHH eruption, despite not incorporating dynamical feedbacks in the model.
Discussion
The research employs the TOMCAT/SLIMCAT chemical transport model (CTM) to investigate the effects of water vapor (H₂O) injected into the stratosphere following the HTHH eruption. The model, which incorporates detailed gas-phase stratospheric chemistry and a simplified scheme for polar stratospheric clouds (PSCs), simulates H₂O dynamics from January 2022 to October 2023. Initial findings indicate that the model accurately represents the transport and distribution of the injected H₂O, with observed anomalies aligning closely with model predictions. Notably, the model captures the dynamics of H₂O movement into the Southern Hemisphere and its interaction with the Antarctic polar vortex, demonstrating a significant dehydration event in mid-2023 that aligns with observed data.
The study highlights that the sedimentation of ice PSCs plays a crucial role in the removal of HTHH-injected H₂O from the stratosphere, accounting for over 60% of the modeled total removal. This process leads to a rapid decrease in stratospheric H₂O levels during the austral winter, with the model projecting a long-term decay of HTHH H₂O that exceeds seven years. The impact on Antarctic ozone is also assessed, revealing that while the injected H₂O initially had a negligible effect in 2022, it contributed to ozone depletion in 2023 as it penetrated the polar vortex. However, the overall influence on ozone levels is moderated by the strong dehydration processes associated with PSCs. The findings underscore the need for further modeling and observational studies to fully understand the long-term implications of HTHH H₂O on stratospheric chemistry and climate.