DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-10997-2026
تاريخ النشر: 2026-08-06
المؤلف: Katharina Perny وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأوزون الجوي والمناخ
نظرة عامة
تتناول هذه الفقرة تأثير الانفجارات البركانية الكبيرة، وخاصة انفجار جبل بيناتوبو عام 1991، على الديناميات الستراتوسفيرية من خلال حقن ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) في الغلاف الجوي. تؤدي سحابة الهباء البركاني الناتجة إلى تسخين إشعاعي في الستراتوسفير، مما يؤثر بعد ذلك على مستويات الأوزون وبخار الماء، وبالتالي يغير كيمياء وديناميات الغلاف الجوي الأوسط. تتناول الدراسة عدم اليقين المحيط بتأثيرات كميات وارتفاعات حقن SO₂ المتغيرة على شذوذ درجات حرارة الستراتوسفير.
باستخدام بروتوكول تقييم انبعاثات SO₂ للانفجارات التاريخية (HErSEA) ضمن مشروع المقارنة بين نماذج الهباء الستراتوسفيرية التفاعلية (ISA-MIP)، تؤكد الأبحاث المعرفة الموجودة بشأن تأثير الهباء الستراتوسفيرية بينما تكشف عن اختلافات هيكلية كبيرة بين النماذج المختلفة. تتماشى متوسطات شذوذ درجات الحرارة متعددة النماذج من تجارب شبيهة بجبل بيناتوبو بشكل وثيق مع مجموعات بيانات إعادة التحليل الجوي. ومن الجدير بالذكر أن التباين بين النماذج أكبر من التباين الملحوظ داخل النماذج الفردية عبر ظروف تجريبية مختلفة. تشمل العوامل الرئيسية التي تسهم في هذا التباين اختلافات في آليات النقل، وعمليات النقل الإشعاعي، والميكروفيزياء، ووصف توزيع حجم الهباء.
مقدمة
تناقش المقدمة التأثير الكبير للانفجارات البركانية الكبيرة على ميزانية الإشعاع والمناخ على الأرض، بشكل أساسي من خلال حقن ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) في الستراتوسفير، والذي يتم تحويله بعد ذلك إلى هباء كبريتات (SO₄). تعزز هذه العملية طبقة الهباء الستراتوسفيرية، مما يؤدي إلى تشتت الإشعاع القصير الموجي الوارد وامتصاص الإشعاع الشمسي القريب من الأشعة تحت الحمراء والإشعاع الطويل الموجي الأرضي. ونتيجة لذلك، تشهد سطح الأرض تبريدًا، بينما يسخن الستراتوسفير بسبب زيادة امتصاص الهباء. يعتبر انفجار جبل بيناتوبو في عام 1991 دراسة حالة رئيسية، حيث يظهر تبريدًا متوسطًا عالميًا للسطح يصل إلى -0.5 كلفن لمدة 18-36 شهرًا، على الرغم من أن بعض الدراسات الحديثة تشير إلى تأثير تبريد أضعف.
تسلط المقدمة أيضًا الضوء على تعقيدات الديناميات الستراتوسفيرية بعد مثل هذه الانفجارات، بما في ذلك التغيرات في أنماط الدوران وتركيزات الأوزون بسبب الكيمياء غير المتجانسة على أسطح الهباء. وقد أثارت هذه النتائج مناقشات حول حقن الهباء الستراتوسفيرية (SAI) كاستراتيجية تدخل مناخي محتملة. تم بدء مشاريع مقارنة نماذج مختلفة (MIPs) لتقييم التأثيرات الجوية للانفجارات البركانية وSAI، مع جهود ملحوظة تشمل مشروع المقارنة بين نماذج الهباء الستراتوسفيرية التفاعلية (ISA-MIP) ومشروع المقارنة بين نماذج الهندسة الجيولوجية (GeoMIP). تهدف هذه المشاريع إلى تحديد التحيزات في توقعات النماذج، لا سيما فيما يتعلق بعمق البصر لسحب الهباء البركانية وديناميات تحلل الهباء، والتي تظل حاسمة لفهم فعالية SAI كاستراتيجية تدخل مناخي.
الطرق
تحدد هذه الفقرة الطرق المستخدمة في تجارب ISA-MIP HErSEA، والتي تشكل أساس الدراسة. توضح تصميم التجربة، بما في ذلك مشاركة نماذج مختلفة تستخدم وحدات ميكروفيزيائية تفاعلية للهباء، مع تضمين بعضها كيمياء تفاعلية. تضمنت تجارب تقييم انبعاثات SO2 للانفجارات التاريخية (HErSEA) محاكاة مؤقتة من نوع مشروع المقارنة بين النماذج الجوية (AMIP) لانفجار جبل بيناتوبو، باستخدام مناخات شهرية لدرجات حرارة سطح البحر (SSTs) ومدى الجليد البحري من مجموعة بيانات مركز ميت أوفيس هادلي. تم تطوير خمسة سيناريوهات انبعاث متميزة، تختلف في كميات وارتفاعات حقن SO2 البركانية، مع تركيز خاص على الحقن في الارتفاعات المتوسطة.
كان مطلوبًا من نماذج ISA-MIP إعادة تهيئة تذبذبها شبه الثنائي (QBO) في وقت الانفجار لضمان التناسق في ديناميات النموذج. كان الهدف الرئيسي من تجارب HErSEA هو تعزيز الفهم للتطور طويل الأمد لسحابة جبل بيناتوبو البركانية. وبالتالي، اتفقت فرق النمذجة على استبعاد التأثيرات الإشعاعية للرماد وبخار الماء وSO2، والتي تكون ذات أهمية كبيرة في الأسابيع الأولى بعد الانفجار، على الرغم من الاعتراف بأن هذه التأثيرات قد تكون مهمة. لمزيد من التفاصيل حول المقارنة بين ISA-MIP HErSEA، يتم تقديم مراجع إلى Timmreck et al. (2018) وQuaglia et al. (2023).
النتائج
في قسم النتائج، تبدأ الدراسة بتحليل تطور الزمن لشذوذ درجات الحرارة في المناطق الاستوائية، محاكية انفجار جبل بيناتوبو (القسم 3.1). بعد ذلك، تتناول الأبحاث انتشار سحابة الهباء البركاني عبر الزمان والمكان (القسم 3.2) وتفحص الاستجابة الحرارية المقابلة في الغلاف الجوي الأوسط (القسم 3.3). بالإضافة إلى ذلك، يتم تقييم حساسية النموذج للتغيرات في تركيزات الكبريتات (SO₄) (القسم 3.4).
ثم يتم مقارنة النتائج من ISA-MIP مع نتائج مشاريع مقارنة نماذج أخرى حديثة (MIPs) (القسم 3.5)، مما يوفر سياقًا أوسع لتداعيات الدراسة. يختتم القسم بملخص لأهم الرؤى وأهميتها لفهم تأثيرات البركان على المناخ.
المناقشة
تسلط فقرة المناقشة في ورقة البحث الضوء على التحقيق في استجابات درجات الحرارة الستراتوسفيرية للهباء البركاني، وخاصة بعد انفجار جبل بيناتوبو، مع معالجة فجوة في مشاريع مقارنة النماذج السابقة (MIPs). تجد الدراسة أنه بينما تظهر النماذج تبريدًا سطحيًا متسقًا، توجد تباينات في التدفقات الإشعاعية. يوضح المؤلفون تصميمهم التجريبي، وتكوينات النماذج، ومصادر البيانات المستخدمة، بما في ذلك مشاريع MIPs المختلفة ومجموعات البيانات الملاحظة. يؤكدون على أهمية الرماد الناعم في التأثير على نقل الهباء والحاجة إلى محاكاة جماعية لالتقاط التباين عبر استراتيجيات الحقن المختلفة.
تشمل النماذج المستخدمة ECHAM5 وECHAM6-SALSA وMIROC-CHASER وغيرها، كل منها مع تكوينات محددة لمحاكاة الميكروفيزياء الهباء والديناميات الستراتوسفيرية. على سبيل المثال، يستخدم ECHAM6-SALSA نموذج هباء مقسم لتمثيل عمليات الهباء، بينما يتضمن MIROC-CHASER مخططًا كيميائيًا شاملاً. تم إنشاء أعضاء المجموعة من خلال اضطرابات طفيفة في معلمات النموذج، مما يسمح بتحليل قوي لاستجابة درجات الحرارة الستراتوسفيرية. يناقش المؤلفون أيضًا استخدام البيانات الملاحظة، مثل مجموعة بيانات REMAP-GloSSAC-2023، للتحقق من توقعات النموذج وتقييم تأثير عوامل مختلفة، بما في ذلك التذبذب شبه الثنائي (QBO) والتقلبات الموسمية، على شذوذ درجات الحرارة المتعلقة بالنشاط البركاني. بشكل عام، تؤكد النتائج على تعقيد استجابات الستراتوسفير للهباء البركاني والحاجة إلى استمرار البحث في هذا المجال.
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-10997-2026
Publication Date: 2026-08-06
Author(s): Katharina Perny et al.
Primary Topic: Atmospheric Ozone and Climate
Overview
This section discusses the impact of significant volcanic eruptions, particularly the 1991 Mt. Pinatubo eruption, on stratospheric dynamics through the injection of sulfur dioxide (SO₂) into the atmosphere. The resulting volcanic aerosol cloud leads to radiative heating in the stratosphere, which subsequently affects ozone and water vapor levels, thereby altering middle atmospheric chemistry and dynamics. The study addresses the uncertainties surrounding the effects of varying SO₂ injection amounts and altitudes on stratospheric temperature anomalies.
Utilizing the Historical Eruptions SO₂ Emission Assessment Protocol (HErSEA) within the Interactive Stratospheric Aerosol Model Intercomparison Project (ISA-MIP), the research confirms existing knowledge regarding stratospheric aerosol forcing while revealing significant structural differences among various models. The multi-model mean temperature anomalies from Pinatubo-like experiments align closely with meteorological reanalysis datasets. Notably, the variability among models is greater than the variability observed within individual models across different experimental conditions. Key factors contributing to this variability include differences in transport mechanisms, radiative transfer processes, microphysics, and aerosol size distribution characterization.
Introduction
The introduction discusses the significant impact of large volcanic eruptions on Earth’s radiation budget and climate, primarily through the injection of sulfur dioxide (SO₂) into the stratosphere, which is subsequently converted to sulfate (SO₄) aerosol. This process enhances the stratospheric aerosol layer, leading to the scattering of incoming shortwave radiation and the absorption of solar near-infrared and terrestrial longwave radiation. Consequently, Earth’s surface experiences cooling, while the stratosphere warms due to increased aerosol absorption. The eruption of Mt. Pinatubo in 1991 serves as a key case study, demonstrating a global mean surface cooling of up to -0.5 K for 18-36 months, although some recent studies suggest a weaker cooling effect.
The introduction also highlights the complexities of stratospheric dynamics following such eruptions, including alterations in circulation patterns and ozone concentrations due to heterogeneous chemistry on aerosol surfaces. These findings have prompted discussions around stratospheric aerosol injection (SAI) as a potential climate intervention strategy. Various model intercomparison projects (MIPs) have been initiated to evaluate the atmospheric impacts of volcanic eruptions and SAI, with notable efforts including the Interactive Stratospheric Aerosol Model Intercomparison Project (ISA-MIP) and the Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP). These projects aim to identify biases in model predictions, particularly concerning the optical depth of volcanic aerosol clouds and the dynamics of aerosol decay, which remain critical for understanding the efficacy of SAI as a climate intervention.
Methods
The section outlines the methods employed in the ISA-MIP HErSEA experiments, which serve as the foundation for the study. It details the experimental design, including the participation of various models that utilize interactive aerosol microphysical modules, with some incorporating interactive chemistry. The Historical Eruptions SO2 Emission Assessment (HErSEA) experiments involved transient Atmospheric Model Intercomparison Project (AMIP)-type simulations of the Mt. Pinatubo eruption, utilizing monthly climatologies of sea surface temperatures (SSTs) and sea ice extent from the Met Office Hadley Center dataset. Five distinct emission scenarios were developed, varying in the amounts and altitudes of volcanic SO2 injections, with specific focus on medium-altitude injections.
The ISA-MIP models were required to reinitialize their Quasi-Biannual Oscillation (QBO) at the eruption time to ensure consistency in model dynamics. The primary objective of the HErSEA experiments was to enhance understanding of the long-term evolution of the Pinatubo volcanic cloud. Consequently, the modeling teams agreed to exclude the radiative effects of ash, water vapor, and SO2, which are primarily significant in the initial weeks following the eruption, although these effects are acknowledged as potentially important. For further details on the ISA-MIP HErSEA intercomparison, references to Timmreck et al. (2018) and Quaglia et al. (2023) are provided.
Results
In the Results section, the study begins by analyzing the time evolution of temperature anomalies in the tropics, simulating the eruption of Mt. Pinatubo (Sect. 3.1). Following this, the research delves into the space-time propagation of the volcanic aerosol plume (Sect. 3.2) and examines the corresponding temperature response in the middle atmosphere (Sect. 3.3). Additionally, the model’s sensitivity to variations in sulfate (SO₄) concentrations is assessed (Sect. 3.4).
The findings from the ISA-MIP are then contrasted with results from other recent Model Intercomparison Projects (MIPs) (Sect. 3.5), providing a broader context for the implications of the study. The section concludes with a summary of the key insights and their relevance to understanding volcanic impacts on climate.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the investigation of stratospheric temperature responses to volcanic aerosols, specifically following the Mt. Pinatubo eruption, addressing a gap in previous model intercomparison projects (MIPs). The study finds that while models show consistent emergent surface cooling, discrepancies exist in radiative fluxes. The authors detail their experimental design, model configurations, and the data sources utilized, including various MIPs and observational datasets. They emphasize the importance of fine ash in influencing aerosol transport and the need for ensemble simulations to capture variability across different injection strategies.
The models employed include ECHAM5, ECHAM6-SALSA, MIROC-CHASER, and others, each with specific configurations for simulating aerosol microphysics and stratospheric dynamics. For instance, ECHAM6-SALSA utilizes a sectional aerosol model to represent aerosol processes, while MIROC-CHASER incorporates a comprehensive chemical scheme. The ensemble members were generated through slight perturbations to model parameters, allowing for a robust analysis of the stratospheric temperature response. The authors also discuss the use of observational data, such as the REMAP-GloSSAC-2023 dataset, to validate model predictions and assess the impact of various factors, including the Quasi-Biennial Oscillation (QBO) and seasonal fluctuations, on temperature anomalies related to volcanic activity. Overall, the findings underscore the complexity of stratospheric responses to volcanic aerosols and the necessity for continued research in this area.