Vulkáni kitörések szén-dioxid kibocsátása: sok vagy kevés?

Napjaink egyik megkerülhetetlen kérdése - egyszerűen fogalmazva - hogy ki a bűnös? Ki a bűnös azért, hogy a légkör szén-dioxid koncentrációja rohamosan nő? Mi lesz ennek a következménye? Rohanunk egy nehezen elviselhető globális felmelegedés felé? Érvek és ellenérvek csapnak össze, hogy a klímaváltozás valós probléma-e és ha igen, akkor ennek ki vagy mi az oka? Az emberiség vagy a természet, illetve a Föld természetes folyamatai okozzák e változásokat? Miért nő a légkör szén-dioxid tartalma: az emberi tevékenység miatt vagy ahogy a klímaváltozás-szkeptikus állítják, a vulkánkitörések állnak ennek hátterében?
Terry Gerlach a Cascades Vulkán Obszervatórium, ma már nyugdíjas munkatársa azt mondja "a közemberektől kapott legtöbb kérdésem arra irányult az utóbbi években, hogy vajon az ember vagy a vulkánok bocsátanak ki a légkörbe több szén-dioxidot." Mindez napjainkban is "forró" téma, főleg azóta miután Ian Plimer az ausztrál Adelaide egyetem professzora a "Heaven and Earth" c. könyvében azt állította, hogy a légköri szén-dioxid mennyiségért a vulkánkitörések a felelősek, a tapasztalt hőmérséklet-emelkedés pedig a napciklusokkal magyarázható. A növekvő légköri szén-dioxid koncentráció és a globális felmelegedés között tehát szerinte nincs összefüggés, sőt ebben az emberiségnek végképpen nincs szerepe. Akkor tehát minek az a sok felhajtás az emberi szén-dioxid kibocsátás miatt! Vagy - kinek van igaza? Mielőtt erre keressük a választ, röviden ki kell térnem arra, hogy egyáltalán miért pöfögnek szén-dioxidot a vulkánok.

Hatalmas hamufelhő emelkedik fel a chilei Chaitén tűzhányó 2008-as kitörése során. A vulkáni hamufelhőben több millió tonna gázanyag is a levegőbe kerül. Forrás: AFP/Raul Bravo

A túlnyomórészt a földköpenyben keletkező magmák több-kevesebb gázt is tartalmaznak. Nagy nyomáson, azaz nagy mélységben ezek a gázok a kőzetolvadékban oldott állapotban vannak, azonban ahogy a magma emelkedik felfelé és ezzel egyre kisebb nyomás nehezedik rá, a gázok oldhatósága megszűnik és gázbuborékok formájában válnak ki a kőzetolvadékból. A gázbuborékok száma és nagysága egyre nő és ha nem tudnak eltávozni a magmából, akkor a feszítő nyomásuk (a gázbuborékok megjelenése ugyanis térfogat-növekedéssel járó folyamat) heves robbanásos kitöréshez vezethet. A kitörési felhőbe ekkor hatalmas mennyiségű gázanyag is bekerül, aminek mennyisége a több millió tonnát is elérheti. A magmában lévő legfontosabb gázok a víz, a szén-dioxid és a kén-dioxid, kisebb mennyiségben jelennek meg a halogének és a kén-hidrogén. Ezek közül a kén-dioxid, amennyiben a sztratoszférába jut, akkor a vízgőzzel reakcióba lépve kénsav aeroszollá alakul és ez az aeroszol felhő éveken keresztül visszaveri a napsugarakat és globális hőmérséklet-csökkenést okoz a Földön. A szén-dioxid és a vízgőz ezzel szemben üvegház-hatású gázok, amik növelhetik a globális hőmérsékletet. A vulkáni megfigyelésben, a veszély-előrejelzés vizsgálatokban kiemelt szerepet kapnak a vulkáni gázok mérései. Ma már nagy pontosságú eszközök állnak minderre rendelkezésre. A szén-dioxid gáz mennyiséget például repülőgépre szerelt infravörös sugárzást használó berendezéssel (LI-COR) határozzák meg. Az adatok száma egyre nő és ez lehetőséget ad az egyre megbízhatóbb tudományos értékelésre is. Tehát, a kérdés az, hogy mennyi szén-dioxid gázt pöfögnek ki a vulkánok évente?
Erre a választ Terry Gerlach közelmúltban publikált tanulmánya adta meg. Az Amerikai Geofizikai Unió (AGU) által kiadott EOS folyóiratban megjelent összegzés egyértelműen bemutatja, hogy a vulkánok által kibocsátott szén-dioxid mennyiség messze elmarad az emberi tevékenység által a légkörbe jutó szén-dioxid mennyiségtől!

Mennyivel nagyobb az emberiség által évente kibocsátott szén-dioxid mennyiség a vulkánok által a légkörbe juttatott évi szén-dioxid mennyiségnél (ACM) és ez hogyan változott az elmúlt száz évben? Forrás: Terry Gerlach EOS 2011 június 14-i tanulmány

Természetesen rögtön már a tanulmány megjelenése után megkezdődtek a viták, amik az Eruptions blog hozzászólásaiban is tetten érhetők. A Gerlach által bemutatott számadatok azonban nem légből kapottak és jól szemléltetik, hogy a vulkáni működés milyen módon járul hozzá a levegő szén-dioxid tartalmához.
A vulkánok évente 130-260 millió tonna (0,13-0,26 gigatonna) szén-dioxidot pöfögnek a levegőbe. Ebben benne vannak a szárazföldi vulkánok és a tengervíz alatti vulkánok egyaránt (az előbbiek esetében közvetlen mérési adatokkal rendelkezünk, az utóbbiak esetében elsősorban az óceáni hátságok mentén történő szén-dioxid kibocsátásról vannak adatok). Ezzel szemben az emberiség évente 35 gigatonna szén-dioxidot juttat a levegőbe, azaz nagyjából 135-szorosát a vulkáni működésnek! Az ábra azt is jól mutatja, hogy ez az arány az elmúlt évszázadban rohamosan nő. Az 1900-as évek elején az emberiség még csak 20-szorosan múlta felül a vulkánokat, majd az 1950-es évektől ez az arányszám (ACM) nagyon megugrik! Hmmm, de hát a vulkánok sokkal erőteljesebben pöfögnek, mint a gyárkémények mondhatnák sokan, az adatok azonban nem ezt mutatják! A már több mint 28 éve folyamatosan működő hawaii Kilauea kitörés során naponta 8000-30000 tonna szén-dioxid jut a levegőbe, ami elég ahhoz, hogy a környezetében gyakran hozzon létre vulkáni szmogot. Ez azonban nem egy lélegzetelállító vulkáni kitörés. A Mt. St. Helens 1980. május 18-i kitörése során 9 óra alatt 10 millió tonna, a Pinatubo 1991-es kitörése alkalmával pedig szintén néhány óra alatt 50 millió tonna szén-dioxid jutott a légkörbe. Mit jelentenek ezek a számok? Nagyjából annyi szén-dioxid került ekkor óránként a levegőbe, mint amennyit az emberiség bocsát ki egy óra alatt. Igen ám, de a vulkáni működés csupán 9-10 óráig tartott, az emberiség pedig folyamatosan növeli a légkör szén-dioxid tartalmát! Az emberiség 2,7 nap alatt teljesíti azt a szén-dioxid kibocsátást, amit a vulkánok teljes év alatt elvégeznek!
Még egy kérdés maradt: ez mindig így volt? A vulkáni működés gyakorisága, az évente kibocsátott magma, ezáltal a levegőbe juttatott szén-dioxid gáz mennyisége mindig ugyanilyen volt a múltban? Növekszik vagy csökken a vulkáni működés a Földön? Ezek is gyakran feltett kérdések! Ez lényeges kérdés, mivel a légköri szén-dioxid koncentráció és a globális átlag hőmérséklet úgy tűnik szorosan összefügg:

Felül a globális átlag hőmérsékletre utaló oxigén-izotóp változás, alul pedig a légkör szén-dioxid koncentrációjának változása az elmúlt 600 ezer évben. Forrás: Peter Huybers

Peter Huybers és Charles Langmuir 2009-ben megjelent tanulmányukban azt vizsgálták, hogy az elmúlt 40 ezer évben hogyan változott a vulkáni működés gyakorisága és ez hogyan hatott a légköri szén-dioxid kibocsátásra. Az amerikai kutatópáros arra az eredményre jutott, hogy az eljegesedési időszakok és a vulkáni működés között kapcsolat lehet a következőképpen: a vulkáni működés 7-12 ezer évvel ezelőtt jóval intenzívebb volt a Föld számos területén, mint például Izlandon, Európában, Dél-Amerikában és Észak-Amerikában, jellemzően olyan területeken, ahol korábban kiterjedt jégtakaró borítás volt. Az utolsó jégkorszakot követő felmelegedés időszakában jóval gyakoribb és jóval erőteljesebb vulkáni működés volt itt tapasztalható. Mi ennek az oka? A felmelegedés során hatalmas mennyiségű jégtakaró tűnt el a földfelszínről, aminek következtében a súlytól megszabaduló kőzetburok kiemelkedett. Ez az izosztázia-jelenség a földköpeny anyagának is lassú emelkedését okozta, aminek következtében a földköpeny kőzetei kisebb nyomásra kerültek. A kőzetek olvadáspontja nyomásfüggő, a nyomás csökkenésével csökken az olvadáspont. Ez azt jelenti, hogy a felfelé emelkedő, hőmérsékletét megtartó földköpeny anyag olvadáspontja csökken és egy adott mélységben a környező hőmérséklet értéknél már kisebb lehet, aminek következtében a földköpenyben olvadás, azaz magmaképződés indul meg. A legutolsó eljegesedés utáni felmelegedéssel járó izosztatikus kiemelkedés a földköpenyben erőteljesebb magmaképződést indított el. Továbbá, a jégtakaró eltűnésével a földkéreg anyagára is kisebb nyomás hatott, ami miatt a mélybeli magmák könnyebben a felszínre tudtak jutni! Az intenzívebb vulkáni működés nagyobb mennyiségű magmát hozott a felszínre, ezzel pedig nagyobb mennyiségű szén-dioxid is került a levegőbe. Az amerikai kutatók számításai szerint ebben az időszakban akár 1000-5000 gigatonna szén-dioxid is a levegőbe juthatott! Ez annyit jelent, hogy a légkör szén-dioxid koncentrációja 40 gr/tonna értékkel növekedhetett.

A vulkáni kitörések viszonylagos gyakorisága és a grönlandi jégmintákban mért szulfát mennyiség változása az elmúlt 40 ezer évben. A két független adatsor 7-12 ezer évvel ezelőtti időszakban mutat kiugró értéket. Forrás: Peter Huybers és Charles Langmuir 2009-ben megjelent tanulmánya

Ez azonban a történetnek csak egyik része! A vízalatti vulkánok tevékenysége ebben az időben csökkenhetett, mivel a jégolvadás miatt megnőtt a tengerszint, azaz nagyobb mennyiségű tengervíz borította a Földet és nagyobb nyomás nehezedett az óceáni hátságokra, ami visszavethette a vulkáni működés intenzitását. Ez azonban csak kb. 20%-kal kompenzálhatta az erősebb szárazföldi vulkáni működés során felszínre került szén-dioxid mennyiségét.
Befejezésül még egy témába vágó érdekes adat. Szintén a napokban jelent meg Lee Kump tanulmánya a Scientific American folyóiratban, ami a legutóbbi nagy globális felmelegedés időszakáról szól. Ennek tartalmát Dulai Alfréd és Hiver't-Klokner Zsuzsanna magyarul is összegezte.

A globális felmelegedés gyorsasága korunkban és 56 millió évvel ezelőtt. Forrás: Origo

Mintegy 56 millió évvel ezelőtt néhány ezer év alatt a globális átlaghőmérséklet több mint 5 Celsius-fokot emelkedett (ezt az időszakot a szakemberek PETM-nek rövidítik, ami a Paleocene-Eocene Thermal Maximum szavak kezdőbetűiből ered). A felmelegedés oka részben a még ez előzőekben említett 7-12 ezer éves időszaknál is intenzívebb vulkáni működés, a jelentős szén-dioxid kibocsátás, valamint az ezzel járó környezeti változások lehettek. Az esemény üzenete a mára vonatkozóan lényeges: akkor több ezer év alatt emelkedett a levegő szén-dioxid koncentrációja és ezzel nőtt a hőmérséklet. Az élőlények így nagyobb eséllyel tudtak alkalmazkodni a környezeti változásokhoz. Most sokkal gyorsabb a légköri szén-dioxid koncentráció növekedés és a globális átlag hőmérséklet-növekedés. Ebben az ütemben már néhány száz év alatt elérhetjük az 56 millió évvel ezelőtti maximumot. Ilyen gyors környezeti változásra pedig az élőlények (beleértve az embert is) nehezen tudna alkalmazkodni.
A vulkánok működése jelenleg viszonylag "takaréklángon" zajlik és egyértelműen kimutatható, hogy a vulkáni kitörések során a levegőbe kerülő szén-dioxid mennyisége jóval alulmarad az emberi tevékenység során a légkörbe jutó szén-dioxid mennyiségétől. Ha még az arány nagyságán lehet is vitatkozni, egy biztos: ha még csak néhány tucatszorosa is lenne a "mi sarunk" a vulkáni működéshez képest, akkor is elgondolkodhatnánk, hogyan csökkentsük hozzájárulásunkat a szén-dioxid kibocsátáshoz és ezzel a globális felmelegedéshez! Legalább az ütemet igyekezzünk mérsékelni! ... és talán a tudósok, ezen belül is a vulkanológusok véleményét is érdemes meghallgatni!