Klimateffekterna av utbrottet på Hunga Tonga märks än så länge mest uppe i stratosfären, 10–50 kilometer över våra huvuden. Där uppe finns all den extra vattenångan från vulkanen: utbrottet ledde till en momentan ökning med 15-20 procent av mängden vatten.
Men i stratosfären finns också det för livet på Jorden livsviktiga ozonet.
Ozonet är ett av de viktigaste ämnena i atmosfären. Det har stor påverkan på atmosfärens dynamik och därmed vädret på Jorden. Förändringar i ozonet påverkar både polarvirvel och jetströmmens läge och därmed vädret.[1] Det mest välkända exemplet på detta är minskningen vintertid av ozonet över Antarktis (’ozonhålet’), som leder till att jetströmmen stärks och skiftas söderut, mot sydpolen. Men även norra halvklotet påverkas ofta av sådana väderstyrande ändringar i polarvirvel och jetström.
Ozonet i stratosfären bryts ned av vattenånga. En direkt effekt av utbrottet på Hunga Tonga är nu att ozonhålet på södra halvklotet växer oroväckande mycket och snabbt.[2] Detta gällde redan 2022, och nu ser vi en än mer oroande utveckling under 2023.[3][4]
Figur 1. Ozonhålet över Antarktis växer nu oroväckande snabbt, mätt som yta (Mkm2). Källa: Copernicus.
Ozonhålet finns bara över Antarktis när solen återvänder dit efter polarvintern. Det når sitt maximum i månadsskiftet september/oktober. Att ’hålet’, som egentligen är en förtunning, är som störst under denna tid beror på solljusets aktiva roll i processen och bristen på solljus under polarvintern i kombination med de extremt låga temperaturerna i Antarktis – se vidare fördjupningen nedan.
Figur 2. Ozonkolumnen över södra halvklotet. Mängden ozon mäts ofta med Dobson Units (DU). Det är antalet ozonmolekyler i en vertikal kolumn. Under den antarktiska vintern minskar DU ofta till under hälften av normalvärdet. Ozonhål definieras som värden under 220 DU. 2023 ligger för närvarande på unikt låga nivåer. Källa: Copernicus.
Det finns ett uppenbart samband mellan ozonminskningen och vattenångan från Hunga Tonga. Det tar cirka ett år efter utbrottet innan vattenångan når polartrakterna, där ozonhålet finns:
Figur 3. Utsläppet av vattenånga i stratosfären (10 hPa) från 75°S – 75°N. Basnivån för vattenånga vid 10 hPa är cirka 5 ppm, vilket indikerar en 20-procentig ökning i stora delar av stratosfären ett år efter utbrottet.
Vi ser också hur vattenångan tar cirka ett år på sig från utbrottet i januari 2022 till att nå de stratosfäriska höjder där ozonet skapas (30–35 km höjd), figur 4. Det är av den anledningen vi nu ser allt starkare effekter av utbrottet på ozonet.
Figur 4. Utsläppet av vattenånga i höjdledd vid ekvatorn. Basnivån för vattenånga vid 10 hPa är cirka 5 ppm vilket indikerar en 20-procentig ökning vid höjden för ozonskiktet.
Ozonet har ett intrikat förhållande till vattenånga. I stratosfären är sambandet negativt – och det är här som de 150 Mt havsvatten från Hunga Tonga kommer in.[5]
Ozonets dynamik utspelas såväl i regional skala som i höjdled, i utbytet mellan atmosfärens olika lager. Via Brewer-Dobson cirkulationen (BDC) konvekteras luft i tropikerna uppåt till stratosfären och drivs sedan vidare av corioliskraften (eg. Rossby-vågor) mot polerna, där luften sjunker nedåt igen, se figur 5. BDC utspelas i ett utbyte mellan troposfär och stratosfär och förklarar hur ozon och vattenånga sprids i de högre luftlagren.[6]
Figur 5. Scematisk bild över hur luft konvekteras uppåt från troposfären i tropikerna, för att sedan transporteras mot polerna av Brewer-Dobson cirkulationen, som har en omsättningstid på 3–5 år.
Det mesta ozonet skapas av UV-strålning i tropikerna, och transporteras sedan av BDC mot polerna, där mängden ozon är som störst. Men under respektive vinterhalvår finns ingen inkommande UV-strålning över polarområdena, så då skapas inget ozon, utan det kan bara brytas ned.
BDC är en global klimatcirkulation och allt som påverkar den, påverkar också vårt väder. Transporten via BDC har stärkts under hela eran av satellitmätningar, alltså åtminstone sedan 1980 (med 2–3 procent per decennium). Detta har medfört en avkylning av den lägre stratosfären i tropikerna, samt en uppvärmning på högre breddgrader.[6] Den arktiska förstärkningen (se artikel här) är också relaterad till den allt starkare BDC.
Men nu reverseras dessa trender på grund av Hunga Tonga: BDC minskar sin hastighet och vi har fått en kraftig temperaturpåverkan i stratosfären över södra halvklotet.
Under 2022 hade vi en aldrig tidigare skådad sänkning av temperaturen i stratosfären över södra halvklotet, se figur 6 och 7. Forskningen visar att det är just vattenångan som angriper ozonet, och att det är detta som lett till de sänkta temperaturerna.[3]
Figur 6. Temperaturanomali enligt satellitmätning (NASA:s MLS) i °K för hela 2022, angivet som anomali jämfört med genomsnittet för hela perioden 2004–2021. Y-axeln är höjdnivå med hPa på vänster skala och km på höger skala. Anomalin var mer än 10 grader i stora delar av stratosfären över södra halvklotet. På norra halvklotet fanns ingen nämnvärd anomali. Kryssmarkeringar anger under mätperioden aldrig tidigare skådad anomali. Källa: [3] fig.2A
Figur 7. Temperaturen i grader Kelvin i stratosfären på södra halvklotet vid 25 hPa höjd (cirka 25 km), mellan 10–60°S, under 2022. Anomalin under polarvintern var upp till 4°K. Anomalin var ännu större på 35 km höjd. Källa: [3] fig.1C och D.
Hur snabbt och starkt kyleffekten fortsätter slå framöver beror på hur snabb Brewer-Dobson transporten av vattenångan är. Normalt omsätts luften i stratosfären på mellan 3–5 år, beroende på höjd och breddgrad, men på grund av Hunga Tonga har hastigheten i BDC nu saktat in. Utvecklingen ser inte bra ut, ur ozonsynvinkel:
Figur 8. Minimitemperatur i °C vid 50 hPa höjd söder om 60°S. Gränsen för bildning av ozonförstörande moln är markerad vid -78°C. Källa: Copernicus.
Ozondestruktionen är nämligen direkt relaterad till temperaturen i stratosfären. Detta beror på att det finns en särskild typ av polära stratosfäriska moln, som bildas endast om temperaturen går under -78°C. De innehåller iskristaller som kan omvandla stabila molekyler till reaktiva joner av klor och andra ämnen, vilka snabbt bryter ned ozonet så fort som solljuset kommer tillbaka efter polarvintern. Det är just kombinationen av dessa mycket speciella moln och solens UV-strålar som är skälet till att ozonhålet bara finns under senvintern och våren i Antarktis.
Sammanfattningsvis är det nu uppenbart att vi är på väg att få ett antal starka konsekvenser på vädret av Hunga Tonga-utbrottet. Vi har i år fått flera ovanliga väder-/klimatfenomen, som söker sina förklaringar. Ett av dem är den märkligt låga havsistäckningen i Antarktis, bild här. Ett annat är de höga ytvattentemperaturerna. Kan dessa härledas till vulkanutbrottet i Hunga-Tonga och påverkan på ozonet? Det ska vi fundera på i nästa artikel i serien.
Bakgrund: om ozonet
Ozonet har en stor roll i de fotokemiska processerna i termosfären och stratosfären, där UV-strålning av olika våglängder å ena sidan skapar ozon (EUV och UVC <240nm) och å andra sidan bryter ned ozon (UV-strålning >240 nm), figur här.
Det mesta ozonet finns på 25 – 35 km höjd. Ozonet bildas då syre i atmosfären utsätts för ultraviolett strålning från solen, vilket huvudsakligen sker över 30 km höjd. Det ozon som bildas där sjunker långsamt nedåt och skyddas då från sönderfall av ozonskiktet det just kom ifrån. Detta eftersom ozonskiktet absorberar merparten av solens ultravioletta ljus.
En ozonmolekyl (O3) består av tre syreatomer, till skillnad från en vanlig syrgasmolekyl (O2), som består av två syreatomer. Ultraviolett strålning spjälkar O2-molekyler till fria atomer och när de fria syreatomerna reagerar med andra syremolekyler bildas O3. Denna process initieras varje gång en syremolekyl träffas av kortvågig UV-strålning.
(1) O2 + UV ==> O + O (UV-C<242nm)
Syremolekyler fotolyseras av kortvågig UV-strålning och formar fria, men instabila syreatomer.
(2) O + O2 + M ==> O3 + M
Syreatomerna är reaktiva och tillsammans med en syremolekyl bildas ozon. M är någon godtycklig annan molekyl, exempelvis vattenånga. Den absorberar den värme som uppstår i reaktionen.
(3) O3 + UV ==> O + O2 (UV-B eller synligt UV-A)
Ozon bryts ned av mer långvågig UV-strålning. Här får vi tillbaka syremolekylen och syreatomen. Här skapas ingen värme.
(4) O3 + O ==> O2 + O2
Ozon bryts även ned i reaktion med fria syreatomer och sönderfaller i två syremolekyler.
Dessa fotokemiska reaktioner (Chapman, 1930) förklarar varför vi har en viss mängd ozon i stratosfären, i en balans där ozon både skapas och förstörs. En nettoeffekt av ozon/UV-reaktionerna är att energi frigörs. Den frigjorda energin gör att vi har en positiv temperaturgradient i stratosfären (lapse rate).
Den enda källan till värmestrålning (IR) i stratosfären är dessa fotokemiska Chapman-reaktioner. Därutöver passerar all utåtriktad värmestrålning från tropopausen genom stratosfären.
Ozonet har sin högsta koncentration på mellan 20–25 km höjd (gröna kurvan, dock beroende på breddgrad). Stratosfären är från cirka 12 till 60 km höjd. Det mesta av UV-strålningen från solen stoppas av ozonet i stratosfären. Endast UV-A och en mindre del UV-B når jordytan.
Om strålningen inte absorberades av ozonskiktet skulle den orsaka stora skador på växter, djur och människor, eftersom UV-B-strålningen kan sönderdela molekyler. Men bara en mindre del av UV-B-strålningen från solen lyckas ta sig ner till jordytan.
Referenser
[1] The importance of interactive chemistry for stratosphere–troposphere coupling, Haase och Matthes, 2019, https://doi.org/10.5194/acp-19-3417-2019
[2] The unexpected radiative impact of the Hunga Tonga eruption of 15th January 2022, Sellitto, P. et al. Nature 2022, https://doi.org/10.1038/s43247-022-00618-z
[3] Stratospheric climate anomalies and ozone loss caused by Hunga-Tonga volcanic eruption, Wang och 12 medförfattare, Science 2023, (i peer review), https://d197for5662m48.cloudfront.net/documents/publicationstatus/121208/preprint_pdf/8502b14ddb87390d19e24e9a5a154420.pdf
[4] Stratospheric Aerosol and Ozone Responses to the Hunga Tonga-Hunga Ha’apai Volcanic Eruption, Lu och 8 medförfattare, 2023, https://doi.org/10.1029/2022GL102315
[5] The Action of Water Vapor on the Stratospheric Ozone Chemistry, Ito och Matsuzaki, 2015, https://doi.org/10.12691/faac-1-1-7
[6] The Brewer-Dobson circulation, Neal Butchart, 2014, https://doi.org/10.1002/2013RG000448
Källa till figur 3 och 4 är NASA:s Atmospheric Chemistry and Dynamics Laboratory, sidan om QBO: https://acd-ext.gsfc.nasa.gov/Data_services/met/qbo/qbo.html
Detta är den andra artikeln i en serie om vulkanutbrottet på Hunga Tonga.
Den första artikeln hittar du här.
Den tredje artikeln handlar om effekterna av vattenånga i stratosfären, den hittar du här.
Tack för en mycket intressant artikel.
Men, om nu bildandet av ozon är en exoterm reaktion så är nedbrytningen endoterm. Hur mycket påverkar den nedbrytningen stratosfäriska temperaturer över polerna? och är några av de reaktioner som konsumerar ozon i stratosfären också exoterma? (då de är spontana)? och vad är den påverkan på temperaturer i stratosfären?
Tack Gabriel.
Från del 1 ”Mindre ozon ger mer solinstrålning, dvs. värmer Jorden”
Flyget gör av med 250 miljoner ton med ungefärliga sammansättningen C10H22.
Det ger 310 miljoner ton mycket finfördelat vatten på 1 mils höjd.
Hur mycket av detta vatten åker, liksom Hunga Tongas 150 Mton, upp till 3 mil och käkar ozon?
Ingen förbränning är 100%, vad med det extra flygbränslet? En starkt reducerande komponent.
johannes #2
Allt flyg sker inte på 1 mils höjd, inrikes bara en bråkdel och för turboprop på dom kortare linjerna inte alls. Flygets transportvolym globalt är inte i huvudsak dom transkontinentala linjerna.
Tack Gabriel för en intressant inblick i klimatpåverkan av naturligt om än tillfällig påverkan.
Tänk om media och speciellt SVT kunde ge samma inblick i komplicerade förhållanden. Även om få förstår allt så ser vi komplikationen.
#3
Ta bort hälften då! Då är vi på HungaTungas nivå, årligen.
Så flygets vattendimma och kolväten är försumbara?
Kan vara som så att flygmolnen skärmar sol och äter ozon samtidigt men netto nolleffekt?
Gabriel
SO2 är ju ett reduktionsmedel mot ozon, hur påverkar det med mer SO2?
Nu är det så, att det som kommer upp, faller också ner. Den luftmassa som stiger upp vid ekvatorområdet faller dels ned vid Hadley och resten fortsätter mot polerna. Här måste man fundera över sambandet med detta nedfall vid polerna och en SSV. Fakta i övrigt är solens variabla våglängder SSI över en solcykel, SC. Intensiteten i UV minskar vid solmimimum, vilket innebär minskad uppvärmning av stratosfären och utåt mot rymden. Det som nämns om BDC är intressant, för detta ämne är väldigt missförstått och undanstoppat och inte minst av IPCC. I övrigt kan man fundera över vad den minskning av UV innebär på grund av en låg amplitud i SC24 och en förväntat lika låg amplitud för SC25.
Johannes, 2, 5
Håkan B, 3
Jag är inte alls inläst på den aspekten, men vet att det har skrivits många rapporter i ämnet. Det är dels vattenångan, dels att det bildas moln. Det är också skillnad på vilken årstid det gäller, samt om flygplanen är i stratosfären på dagen eller natten.
Men jag kan tillägga till Håkans kommentar, att det mesta av den långväga flygtrafiken sker på lägre breddgrader, där tropopausen ligger högre upp än vad flygplanen går.
10 km höjd på tropopausen, då är vi söder om 50S och norr om 40N, i runda slängar.
12 km höjd på tropopausen, då är vi söder om 45S och norr om 35N, i runda slängar.
Ja, på svenska breddgrader och över polerna går planen i stratosfären, men frågan är just hur stor del av de totala utsläppen som egentligen hamnar där.
johannes 5
Vad gäller Hunga Tonga så var det cira 0,5 Mt SO2 som gick upp i stratosfären, vilket gör det till en liten påverkan. Det mesta av SO2 har redan försvunnit, enligt Wang et al.
”Modeled temperature changes with only SO2 (sulfate aerosol) forcing (Fig. 2C) are similar to changes under total (H2O+SO2) forcing but are weaker and mostly not significant, implying that enhanced H2O has amplified stratospheric cooling and polar vortex strengthening in the high
latitudes.”
[3] Stratospheric climate anomalies and ozone loss caused by Hunga-Tonga volcanic eruption, Wang och 12 medförfattare, Science 2023, (i peer review), https://d197for5662m48.cloudfront.net/documents/publicationstatus/121208/preprint_pdf/8502b14ddb87390d19e24e9a5a154420.pdf
Även Lu et al skriver en hel del om SO2-biten:
[4] Stratospheric Aerosol and Ozone Responses to the Hunga Tonga-Hunga Ha’apai Volcanic Eruption, Lu och 8 medförfattare, 2023, https://doi.org/10.1029/2022GL102315
Där ser man, vi lär oss hela tiden nya saker, ett så pass kraftigt vulkanutbrott 150m under vattenytan händer kanske inte varje århundrade. Jag var den enda som nämde Hunga-Tonga här på KU då det small av men ingen var intresserad – endast tty som påtalade den ringa stoftmängden och höjden av utbrottet.
Det finns visst en supervulkan någonstans utanför Japans sydkust på en kilometers djup om jag minns rätt. Tack och lov att DEN håller sig lugn, eller skulle det bli bara en ynklig puff från det djupet?
foliehatt 1
Tack själv, intressanta frågor.
Källan till de olika reaktionerna och om de är exoterma eller endoterm är Chapman från 1930.
Det finns också en femte reaktion, som är exoterm, men den är ganska ovanlig eftersom det är ont om de fria syreatomerna:
Two oxygen atoms may react to form one oxygen molecule:
5. oxygen recombination: 2O + A → O2 + A
where as in reaction 2 above, A denotes another molecule or atom, like N2 or O2 which is needed in the reaction as otherwise energy and momentum wouldn’t be conserved: There is an excess energy of the reaction which is manifested as extra kinetic energy.
Note that the reaction no. 5 is of the least importance in the stratosphere, as under normal conditions the concentration of oxygen atoms is much lower than that of oxygen (diatomic) molecules, so that this reaction is very rare compared to the ozone creation reaction (reaction 2 above).
En bra genomgång finns här:
https://projects.iq.harvard.edu/files/acmg/files/intro_atmo_chem_bookchap10.pdf
Det är väldigt stor skillnad på vilken breddgrad man tittar på, eftersom destruktionen av ozon är så temperaturberoende. Det är bara nere över Antarktis som ozonet rasar ihop i större skala varje år pga PSC-molnen som bildas först under -78C, se avsnitt 10.3 i pdf-filen.
#2 m fl
Större delen av vattenutsläppet från flygplan sker under tropopausen och sprider sig inte upp i stratosfären.
Huvuddelen av vattenångan där kommer från kraftiga tropiska åskväder som är så kraftiga att de ”slår igenom” tropopausen. Jag minns själv ett sådant extremt åskväder i Kansas som enligt meteorologerna gick upp till 55 000 fot, alltså nästan 17 km.
#9
Nej, så stora utbrott så nära under havsytan är sällsynta. I detta fall har Hunga Tonga en stor kaldera vars kant just precis når upp till havsytan-
Den uppstod vid ett stort utbrott, troligen 1108, som ledde till en global avkylning av ca 1 grad, eftersom vulkanen före kalderakollapsen var ovanför havsytan.
Annars finns det många stora undervattensvulkaner som t ex Loihi vars topp ligger ca 1000 m under ytan och som kommer att bli nästa ö i Hawaiigruppen, troligen inom några tusen år.
Gabriel, #10,
eventuellt så är hela processen ”bildandet av ozon” endoterm.
O=O har en bindningsstyrka av 495 kJ/mol, medan O-O bindningar endast 146 kJ/mol. Dvs en entalpiförändring om nästan + 200 kJ/mol sönderdelad O₂ (= per 2 mol bildad ozon).
OT:
Tyckte det här var vettigt från ChatGPT:
”Hur vet vi att vetenskapen inte är en avslutad process? Tänker att ”the science is settled”?”
”Uttrycket ”vetenskapen är avslutad” eller ”vetenskapen är fastställd” (engelska: ”the science is settled”) är något som ibland används i en retorisk kontext för att betona att det finns en bred och nästan enhällig enighet bland forskare inom ett visst område. Uttrycket används ibland för att argumentera för att vissa fakta eller teorier inte längre bör ifrågasättas eller diskuteras. Men det är viktigt att förstå att detta inte riktigt återspeglar den grundläggande naturen och metoden för vetenskaplig forskning.
Vetenskapen är i sig själv en process som bygger på att ständigt ifrågasätta, utmana och raffinera våra förståelser.
Här är några punkter att beakta:
Öppenhet för ifrågasättande: Inom vetenskapen är ifrågasättande och kritisk granskning av befintliga teorier och resultat en grundläggande princip. Forskare arbetar ständigt med att testa och utmana sina egna teorier för att se om de står upp mot nya bevis eller perspektiv.
Föränderligt kunskapslandskap: Vetenskapen utvecklas och förändras med tiden när nya upptäckter görs och ny teknik blir tillgänglig. Det som en gång ansågs vara sant kan revideras eller ersättas när ny information framkommer.
Osäkerhhet och komplexitet: Många vetenskapliga frågor är komplexa och har en viss grad av osäkerhet. Vetenskapliga slutsatser bygger ofta på den bästa förståelsen baserat på befintliga bevis, men det finns alltid möjlighet att nya data kan leda till reviderade slutsatser.
Dialog och debatt: Vetenskapliga framsteg främjas genom diskussioner, debatter och utbyte av idéer. Enighet i en viss fråga betyder inte nödvändigtvis att det inte finns utrymme för att fördjupa förståelsen eller utforska andra aspekter av ämnet.
Kreativitet och nyfikenhet: Vetenskapen drivs av kreativitet och nyfikenhet. Forskare söker ständigt nya sätt att närma sig problem och utforska okända områden.
Således är vetenskapen aldrig riktigt avslutad eller fastställd. Den är en process som är öppen för förändring och förbättring när nya insikter och bevis framträder. En grundläggande princip i vetenskapen är att ifrågasätta och söka efter bättre förståelse, snarare än att betrakta något som ”settled” eller definitivt.”
Ovanstående är väl ändå något för t.ex. Greta att brottas med. ”Listen to the scientists!” liksom!
Rossmore #14
Vad säger chatgpt om flygets höghöjdseffekt?