Vulkane und Klimawandel – gibt es einen Zusammenhang?

Die Beobachtung der Auswirkungen von Vulkanausbrüchen auf die Atmosphäre gewinnt aufgrund des Klimawandels immer mehr an Bedeutung

Um Weihnachten letzten Jahres hörte der Vulkan Cumbre Vieja auf der spanischen Insel La Palma zur Erleichterung der Einwohner auf, Lava zu spucken – nach einem 85 Tage andauernden Ausbruch, der Schäden in Höhe von 1 Milliarde € verursachte. Der Cumbre Vieja war aber nicht der einzige Vulkan, der 2021 Schlagzeilen machte. Von Kamtschatka über Réunion bis Guatemala und von Island bis Sizilien – überall auf der Welt fanden massive Vulkanausbrüche statt, die wie die anderen extremen Wetterereignisse der letzten Zeit Menschenleben ebenso wie Wirtschaftssysteme beeinträchtigten.

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Ereignisse dieser Art – egal ob Waldbrände, Taifune oder Überschwemmungen – stoßen zunehmend Diskussionen über die Rolle des Klimawandels bei der Häufigkeit und/oder Intensität von Naturkatastrophen an. Aber trifft das auch auf Vulkanausbrüche zu? Kann das Verhalten von Vulkanen mit dem Klimawandel in Verbindung gebracht werden? Und wenn ja, was sind die Auswirkungen?

Verändern Vulkanausbrüche das Klima?

Bei Vulkanausbrüchen werden große Mengen an Gasen, Partikeln (auch Aerosole genannt), Asche und Metallen in die Atmosphäre ausgestoßen, die das Klima auf lokaler, regionaler oder sogar globaler Ebene temporär verändern können.

„Schwere Vulkanausbrüche haben sich in der Vergangenheit auf das globale Klima ausgewirkt – sowohl direkt als auch dadurch, dass sie andere Prozesse fördern“, so Dr. Santiago Arellano, Forscher in der Abteilung für Weltraum, Erde und Umwelt der Technischen Hochschule Chalmers. Wie diese Auswirkungen genau aussehen, hängt laut Dr. Arellano vom Standort und der Höhe des Vulkans sowie der Menge und Zusammensetzung der ausgestoßenen Stoffe ab. Vulkanausbrüche in den Tropen beeinflussen das Klima beispielsweise stärker als solche in höheren Breitengraden, weil die Luft aus den Tropen weiter getragen wird und die freigesetzten Stoffe über den ganzen Globus verteilt werden können. Außerdem ist der Effekt bei großen Ausbrüchen dauerhafter, da die Partikel in diesem Fall in der Stratosphäre landen, wo sie länger bleiben. Beim Ausbruch des Pinatubo auf den Philippinen 1991 wurden beispielsweise riesige Mengen von Partikeln und Gasen über 20 km hoch in die Atmosphäre geschleudert, die den Planeten anschließend etwa drei Wochen lang umkreisten.

Man sollte meinen, dass die Atmosphäre durch eine Explosion dampfend heißer Lava und Gase erwärmt wird. Wissenschaftliche Ergebnisse deuten aber auf das Gegenteil hin. Bei Vulkanausbrüchen wird zwar CO2 freigesetzt, das die Erde bekanntermaßen erwärmt, aber generell ist der Effekt auf das Klima ein abkühlender. Außerdem würde selbst ein gleichzeitiger Ausbruch aller Vulkane der Welt 100-mal weniger Kohlenstoff produzieren als menschliche Aktivitäten. „Der Einfluss großer Vulkanausbrüche auf das Klima […] ist auf die Freisetzung von Partikeln, vor allem feine Asche und Schwefeldioxid, zurückzuführen, die das Sonnenlicht sehr effektiv streuen“, sagt Dr. Arellano. „Diese kleinen, glänzenden Aerosole aus Schwefelsäure reflektieren einen Teil des auf die Erde strahlenden Sonnenlichts zurück ins All, was eine vorübergehende Abkühlung der Erdoberfläche zur Folge hat“, so Dr. Anya Schmidt, Professorin für Klimamodellierung an der LMU in München. „Der Abkühlungseffekt beträgt bei größeren Ausbrüchen wie dem des Pinatubo im globalen Durchschnitt bis zu etwa 0,5 °C und hält ein paar Jahre an“, führt Dr. Schmidt aus.

Die Auswirkungen aktuellerer Ereignisse sind noch unklar. „Wir wissen noch nicht, ob der Ausbruch von 2022 in Tonga [...] einen merklichen Einfluss auf das Klima haben wird“, so Dr. Arellano.

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Verändert der Klimawandel Vulkanausbrüche?

Derzeit untersuchen Wissenschaftler, wie der Klimawandel Vulkanausbrüche beeinflussen könnte. Dabei berücksichtigen sie Veränderungen auf dem Boden ebenso wie in der Luft.

In manchen Studien wird darauf hingewiesen, dass neue Muster bei der Umwälzung der Atmosphäre sich auf den Abkühlungseffekt vulkanischer Aschewolken auswirken könnten. Forschungen der Cambridge University und des Met Office zeigen, dass der Einfluss eines wärmeren Klimas je nach Umfang des Ausbruchs unterschiedlich ausfällt. „Bei schweren Ausbrüchen wie dem des Pinatubo, die generell ein- oder zweimal pro Jahrhundert stattfinden, sorgt der Klimawandel dafür, dass die vulkanischen Aschewolken höher steigen und die Aerosole sich schneller über den Globus verteilen, was den Abkühlungseffekt um ca. 15 Prozent erhöht“, erklärt Dr. Schmidt.

„Bei Ausbrüchen geringeren Umfangs wie dem des Nabro in Eritrea von 2011, die normalerweise jedes Jahr passieren, wird der Abkühlungseffekt dagegen um ca. 75 Prozent reduziert, wenn wir von einer starken Erderwärmung ausgehen (NB: im Falle einer Erwärmung um mehrere Grad). Die Tropopause – die Schicht zwischen unterer Atmosphäre und Stratosphäre – wird voraussichtlich an Umfang zunehmen, sodass es länger dauert, bis vulkanische Aschewolken die Stratosphäre erreichen“, führt Dr. Schmidt aus. Dies hat zur Folge, dass bei Vulkanausbrüchen freigesetzte Aerosole nicht mehr so hoch steigen und einen geringeren Effekt haben, weil sie schnell durch Niederschläge weggespült werden.

Wissenschaftler erforschen außerdem, wie der Klimawandel die Häufigkeit von Vulkanausbrüchen beeinflussen könnte. „Hier gibt es einen interessanten Zusammenhang“, sagt Dr. Arellano. „Die globale Erwärmung bewirkt das Schmelzen von Gletschern, von denen viele die Flanken aktiver Vulkane bedecken.“ Laut Dr. Arellano reduziert ein massives Schmelzen der Gletscher den Druck auf die Erdoberfläche, wodurch Prozesse in der Erdkruste beeinflusst werden. Beispielsweise könnte heißes Magma mit Grundwasserleitern in Kontakt kommen. „Das könnte wiederum vulkanische Aktivität auslösen, da alle diese Systeme miteinander verbunden sind“, so Dr. Arellano. Allerdings sind diesbezüglich weitere Forschungen nötig. Laut Dr. Schmidt gibt es keinen Nachweis dafür, dass Vulkanausbrüche zwischen 1850 und heute aufgrund schmelzender Gletscher häufiger aufgetreten sind.

„Höher gelegene Vulkane könnten ebenfalls vom Klimawandel beeinflusst werden, wenn sie von einer Eiskappe bedeckt sind, die schmilzt“, sagt Dr. Tamsin Mather, Professorin in der Abteilung für Geowissenschaften der University of Oxford. „Wenn die Eiskappen die vulkanische Struktur stützen, kann ihr Verschwinden zu Instabilität führen und beispielsweise vulkanische Erdrutsche auslösen.“

Beobachtung vulkanischer Emissionen

Die genauen Auswirkungen des Klimawandels auf Vulkane sind also derzeit noch unklar. Im Zusammenhang mit Luftqualität, öffentlicher Gesundheit und Branchen wie der Luftfahrt ist es aber in jedem Fall wichtig, die bei Vulkanausbrüchen stattfindenden Emissionen zu überwachen. Der Copernicus-Dienst zur Überwachung der Atmosphäre (Copernicus Atmosphere Monitoring Service, CAMS) erfasst regelmäßig die Verteilung und das Verhalten des bei Vulkanausbrüchen freigesetzten Schwefeldioxids. Im Falle des Vulkans Cumbre Vieja beobachtete CAMS, dass große Mengen Schwefeldioxid über Nordafrika, Europa und den Atlantik bis zur Karibik zogen, wo die Sulfataerosole zu schlechter Luftqualität beitrugen. CAMS überwachte außerdem die Emissionen bei anderen aktuellen Vulkanausbrüchen, darunter der Ätna in Sizilien, La Soufrière auf St. Vincent, der Nyiragongo in der Demokratischen Republik Kongo und Raikoke im Bereich der Kurilen.

CAMS-Prognose der Gesamtmenge an Schwefeldioxid in einer Luftsäule, initialisiert um 00 UTC am 19. Oktober und gültig für 12 UTC. CAMS-Prognosen basieren auf Satellitenbeobachtungen der SO₂-Gesamtmenge (d. h. die Anzahl der SO₂-Moleküle pro Flächeneinheit in einer Säule von der Erdoberfläche bis zum oberen Rand der Atmosphäre). Foto: Copernicus-Dienst zur Überwachung der Atmosphäre/EZMW.

„Es gibt mehrere Möglichkeiten, Lava-, Gas-, Asche- oder Aerosol-Emissionen zu beobachten, die bei Vulkanausbrüchen freigesetzt werden. Die Präzision hängt aber von den Eigenschaften und der Art der Emission ab“, erklärt Dr. Arellano, der in Zusammenarbeit mit CAMS Schätzungen zu vulkanischen Emissionen bereitstellt. Mithilfe von Fernerkundung am Boden, in der Luft und im Weltraum kann Schwefeldioxid quantifiziert werden, Satelliten können vulkanische Asche orten, und zur Beobachtung von Lava werden Bodenkartierung und thermische Strahlung verwendet. „Die meisten der Techniken, die für die Messung vulkanischer Emissionen genutzt werden, wurden nicht zu diesem Zweck entwickelt, sondern für andere Projekte wie beispielsweise die globale Überwachung der Ozonschicht“, sagt Dr. Arellano. Die Daten werden weithin genutzt. „Vulkanologen möchten Häufigkeit und Ausmaß von Gas-, Lava- oder Asche-Emissionen messen, um den physischen Zustand eines Vulkans zu ermitteln und Prognosen in Bezug auf seine Aktivität zu erstellen. Meteorologen interessieren sich dagegen für die Bewegungen vulkanischer Aschewolken, um Umwälzungsmuster und die Interaktion von Vulkanen mit der Atmosphäre zu verstehen“, sagt Dr. Arellano. „Klimawissenschaftler wollen herausfinden, wo ein bestimmtes Element freigesetzt wird, wie viel davon und wie hoch es zieht, um die Klimafolgen zu quantifizieren. Und für Luftfahrtbehörden ist es wiederum wichtig, vulkanische Aschewolken zu orten, damit Piloten gewarnt und Unfälle vermieden werden können.“

CAMS überwacht Vulkanausbrüche zwar nicht selbst, stellt aber anhand von Satellitenüberwachung fast in Echtzeit Informationen zur Schwefeldioxid-Menge in der Atmosphäre bereit und kombiniert diese Daten mit seinen globalen Fünf-Tages-Prognosen über Luftzusammensetzung und -qualität.

Laut Dr. Schmidt ist es nach wie vor eine Herausforderung, den Zusammenhang zwischen Vulkanen und Klima zu verstehen. „Einige der Feedbackschleifen sind zwar inzwischen offensichtlicher, aber das Klimasystem ist komplex, und wir müssen alle potenziellen Feedbackschleifen verstehen, um präzise Klimaprognosen zu erstellen, bei denen Vulkanausbrüche berücksichtigt werden.“

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