Những đám mây cao từ những vụ phun trào nhỏ: độ nhạy của chiều cao phun trào và hàm lượng tro mịn đối với sự không ổn định ở tầng đối lưu

Springer Science and Business Media LLC - Tập 51 - Trang 375-401 - 2009
Andrew Tupper1,2, Christiane Textor3, Michael Herzog4, Hans-F. Graf4, Michael S. Richards5,6
1Northern Territory Regional Office, Bureau of Meteorology, Casuarina, Australia
2School of Mathematical Sciences, Monash University, Clayton, Australia
3Deutsche IPCC-Koordinierungsstelle Projektträger im DLR Umwelt, Bonn, Germany
4Centre Atmospheric Sciences, University of Cambridge, Cambridge, UK
5Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies, University of Wisconsin, Madison, USA
6Federal Aviation Administration, Atlantic City, USA

Tóm tắt

Một yếu tố quan trọng trong việc giám sát và dự đoán sự phân tán tro núi lửa nhằm đảm bảo an toàn hàng không là chiều cao mà các đám mây phun trào đạt được, điều này bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như sự biến thiên của gió và sự không ổn định của khí quyển. Dựa trên những công trình nghiên cứu trước đây sử dụng Mô hình Khí quyển Phân tử Tracer Năng động Có độ phân giải cao cho các vụ phun trào Plinian mạnh, nghiên cứu này xem xét một loạt sức mạnh phun trào trong những khí quyển khác nhau. Kết quả cho thấy các vụ phun trào núi lửa tương đối yếu ở các vùng nhiệt đới ẩm có khả năng kích thích đối lưu sâu, vận chuyển vật liệu núi lửa lên tới 15-20 km. Đối với cùng một sức mạnh phun trào, có thể có sự khác biệt khoảng 9 km về chiều cao phun trào giữa các môi trường nhiệt đới ẩm và cận cực khô (một sự khác biệt chiều cao lớn hơn so với những gì được đề xuất trước đó), điều này dường như nhất quán với các quan sát. Những kết quả này gợi ý rằng cường độ phun trào không nên chỉ được ước lượng từ chiều cao phun trào đơn thuần trong các vụ phun trào tầng đối lưu và cũng rằng chiều cao trung bình của các vụ phun trào núi lửa có thể tăng lên nếu vành đai khí quyển nhiệt đới mở rộng trong một khí hậu đang thay đổi. Sự kết tụ của tro được thúc đẩy bởi các khí mưa (đặc biệt là nước lỏng), vì vậy các vụ phun trào nhỏ hơn trong các khí quyển ẩm, với hàm lượng tro tương đối nhỏ so với chiều cao và hàm lượng nước của chúng, dẫn đến tỷ lệ tro mịn trong đám mây phân tán tương đối nhỏ khi so sánh với một khí quyển khô. Điều này lại làm cho các đám mây tro khó phát hiện hơn khi sử dụng cảm biến từ xa so với những đám mây trong khí quyển khô. Tổng thể, một vụ phun trào yếu ở các vùng nhiệt đới có nhiều khả năng tạo ra một đám mây cao hơn mức bay của hàng không dân dụng, khó phát hiện và theo dõi, nhưng với nồng độ tro mịn thấp hơn so với một vụ phun trào ở vĩ độ trung bình hoặc cực. Hiện tại, không có nồng độ 'chấp nhận được' nào được xác định cho tro đối với máy bay, nhưng như những kết quả này gợi ý về những cuộc gặp gỡ cấp thấp trong các vùng nhiệt đới với những đám mây không bị phát hiện là có khả năng, sẽ là điều mong muốn khi xem xét vấn đề này.

Từ khóa

#phun trào núi lửa #tro mịn #khí quyển #an toàn hàng không #đối lưu sâu

Tài liệu tham khảo

Bursik (2001) Effect of wind on the rise height of volcanic plumes. Geophys Res Lett 28(18):3621–3624 Carn SA, Krueger AJ, Bluth GJS, Schaefer SJ, Krotkov NA, Watson IM, Datta S (2003) Volcanic eruption detection by the Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) instruments: a 22-year record of sulfur dioxide and ash emissions. In: Oppenheimer C, Pyle DM, Barclay J (eds) Volcanic degassing. Geological Society, London, pp 177–202 Carn SA, Krotkov NA, Yang K, Hoff RM, Prata AJ, Krueger AJ, Loughlin SC, Levelt PF (2007) Extended observations of volcanic SO2 and sulfate aerosol in the stratosphere. Atmos Chem Phys Discuss 7(1):2857–2871 Casadevall TJ, Delos Reyes PJ, Schneider DJ (1996) The 1991 Pinatubo Eruptions and Their Effects on Aircraft Operations. In: Newhall CG, Punongbayan RS (eds) Fire and Mud: eruptions and lahars of Mount Pinatubo. Philippines. Philippines Institute of Volcanology and Seismology & University of Washington Press, Quezon City & Seattle, pp 625–636 Cifelli R, Rutledge SA (1998) Vertical motion, diabatic heating, and rainfall characteristics in north Australia convective systems. Quarter J R Meteorol Soc 124(548):1133–1162 Cohen C (2000) A quantitative investigation of entrainment and detrainment in numerically simulated cumulonimbus clouds. J Atmos Sci 57:1657–1674 Dobran F, Neri A (1993) Numerical simulation of collapsing volcanic columns. J Geophy Res 98:4231–4259 Durant AJ, Shaw RA, Rose WI, Mi Y, Ernst GGJ (2008) Ice nucleation and overseeding of ice in volcanic clouds. J Geophys Res 113:D09206. doi:09210.01029/02007JD009064 Ernst GGJ, Davis J, Sparks RSJ (1994) Bifurcation of volcanic plumes in a crosswind. Bull Volcanol 56:159–169 Fierro AO, Leslie LM, Mansell ER, Straka JM (2008) Numerical simulations of the microphysics and electrification of the weakly electrified 9 February 1993 TOGA COARE squall line: comparisons with observations. Mon Weather Rev 136(1):364–379 Fromm M, Servranckx R (2003) Transport of forest fire smoke above the tropopause by supercell convection. Geophys Res Lett 30(10):1542 Fromm M, Tupper A, Rosenfeld D, Servranckx R, McRae R (2006) Violent pyro-convective storm devastates Australia’s capital and pollutes the stratosphere. Geophys Res Lett 33:L05815. doi:05810.01029/02005GL025161 Glaze LS, Baloga SM (1996) Sensitivity of buoyant plume heights to ambient atmospheric conditions: implications for volcanic eruption columns. J Geophys Res 101(D1):1529–1540 Glaze LS, Baloga SM, Wilson L (1997) Transport of atmospheric water vapor by volcanic eruption columns. J Geophys Res 102(D5):6099–6108 Graf H, Herzog M, Oberhuber JM, Textor C (1999) Effect of environmental conditions on volcanic plume rise. J Geophys Res 104(D20):24309–24320 Grindle TJ, Burcham FW (2002) Even minor volcanic ash encounters can cause major damage to aircraft. ICAO J 57(2):12–14 29 Guo S, Rose WI, Bluth GJS, Watson IM (2004a) Particles in the great Pinatubo volcanic cloud of June, 1991: the role of ice. Geochem Geophy Geosys 5(5):1525. doi:10.1029/2003GC000655 Guo S, Rose WI, Bluth GJS, Watson IM, Prata AJ (2004b) Re-evaluation of SO2 release of the climactic June 15, 1991 Pinatubo eruption using TOMS and TOVS satellite data. Geochem Geophy Geosys 5(4):Q04001. doi:04010.01029/02003GC000654 GVN (2006) Volcano activity report for soputan. In: Wunderman R, Venzke E, Mayberry G (eds) Bulletin of the global volcanism network. Smithsonian Institution, Washington DC, USA Halmer MM, Schmincke H-U (2003) The impact of moderate-scale explosive eruptions on stratospheric gas injections. Bull volcanol 65(6):433–440 Herzog M, Graf H-F, Textor C, Oberhuber JM (1998) The effect of phase changes of water on the development of volcanic plumes. J Volcanol Geoth Res 87:55–74 Herzog M, Oberhuber JM, Graf H (2003) A prognostic turbulence scheme for the non-hydrostatic plume model ATHAM. J Atmos Sci 60:2783–2796 Holasek RE, Self S, Woods AW (1996) Satellite observations and interpretation of the 1991 Mount Pinatubo eruption plumes. J Geophys Res 101(B12):27635–27665 International Civil Aviation Organization (2009) Handbook on the international airways volcano watch (IAVW), 2nd edition Doc 9766-AN/968. ICAO http://www.icao.int/icao/en/anb/met/index.html, Montreal Johnson RW, Casadevall TJ (1994) Aviation safety and volcanic ash clouds in the Indonesia-Australia region. In: first international symposium on volcanic ash and aviation safety. Seattle, Washington, USA, pp 191–197 Lehmiller GS, Bluestein HB, Neiman PJ, Ralph FM, Feltz WF (2001) Wind structure in a supercell thunderstorm as measured by a UHF wind profiler. Mon Weather Rev 129(8):1968–1986 Luderer G, Trentmann J, Winterrath T, Textor C, Herzog M, Graf HF, Andreae MO (2006) Modeling of biomass smoke injection into the lower stratosphere by a large forest fire (Part II): sensitivity studies. Atmos Chem Phys Discuss 6:6081–6124 Mastin LG (2007) A user-friendly one-dimensional model for wet volcanic plumes. Geochem Geophy Geosys 8(3):1525. doi:10.1029/2006GC001455 Mastin LG, Guffanti M, Servranckx R, Webley P, Barsottie S, Dean K, Durant A, Ewert JW, Nerie A, Rose WI, Schneider D, Siebert L, Stunder B, Swanson G, Tupper A, Volentik A, Waythomas CF (2009) A multidisciplinary effort to assign realistic source parameters to models of volcanic ash-cloud transport and dispersion during eruptions. J Volcano Geotherm Res in press McClatchey RA, Fenn RW, Selby JEA, Volz FE, Garing JS (1972) Optical properties of the atmosphere 3rd edition, Air Force Cambridge Research Laboratories, Report AFCRL-72-0497. p 103 Morton BR, Taylor GI, Turner JS (1956) Gravitational turbulent convection from maintained and instantaneous sources. Proceedings of the royal society of London A234(1) Newhall CG, Self S (1982) The volcanic explosivity index (VEI): an estimate of explosive magnitude for historical volcanism. J Geophys Res 87:1231–1238 Oberhuber JM, Herzog M, Graf H-F, Schwanke K (1998) Volcanic plume simulation on large scales. J Volcanol Geoth Res 87:29–53 Ongaro TE, Cavazzoni C, Erbacci G, Neri A, Salvetti MV (2007) A parallel multiphase flow code for the 3D simulation of explosive volcanic eruptions. Parallel Comput 33(7–8):541–560 Oppenheimer C (1998) Volcanological applications of meteorological satellites. Int J Remote Sens 19:2829–2864 Oswalt JS, Nichols W, O’Hara JF (1996) Meteorological observations of the 1991 Mount Pinatubo Eruption. In: Newhall CG, Punongbayan RS (eds) Fire and mud: eruptions and lahars of Mount Pinatubo, Philippines. Philippines Institute of Volcanology and Seismology & University of Washington Press, Quezon City & Seattle, pp 625–636 Pergola N, Tramutoli V, Marchese F, Scaffidi I, Lacava T (2004) Improving volcanic ash cloud detection by a robust satellite technique. Remote Sens Environ 90:1–22 Pieri D, Ma C, Simpson JJ, Hufford G, Grindle T, Grover C (2002) Analyses of in situ airborne volcanic ash from the February 2000 eruption of Hekla Volcano, Iceland. Geophys Res Lett 29(16):585. doi:10.1029/2001GL013688 Prata AJ (1989) Infrared radiative transfer calculations for volcanic ash clouds. Geophys Res Lett 16:1293–1296 Prata A (2008) Satellite detection of hazardous volcanic clouds and the risk to global air traffic. Nat Hazards 2:235. doi:10.1007/s11069-11008-19273-z Prata AJ, Bluth GJS, Rose WI, Schneider DJ, Tupper A (2001) Comments on “Failures in detecting volcanic ash from a satellite-based technique”. Remote Sens Environ 78:341–346 Prata AJ, Rose WI, Self S, O'Brien DM (2003) Global, long-term sulphur dioxide measurements from TOVS data: a new tool for studying explosive volcanism and climate. In: Robock A, Oppenheimer C (eds) Volcanism and Earth's atmosphere. AGU, pp 75–92 Richards MS (2006) Volcanic Ash Cloud Heights Using the MODIS CO2-Slicing Algorithm. In: CIMSS. University of Wisconsin-Madison, Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, Madison, p 97 Robock A (2002) Blowin’ in the wind: research priorities for climate effects of volcanic eruptions. Eos Trans AGU 83:472 Rose WI, Delene DJ, Schneider DJ, Bluth GJS, Krueger AJ, Sprod I, McKee C, Davies HL, Ernst GGJ (1995) Ice in the 1994 Rabaul eruption cloud: implications for volcano hazard and atmospheric effects. Nature 375:477–479 Sawada Y (1987) Study on analysis of volcanic eruptions based on eruption cloud image data obtained by the geostationary meteorological satellite (GMS). Meteorology Research Institute (Japan), Tokyo, p 335 Sawada Y (2002) Analysis of eruption cloud with geostationary meteorological satellite imagery (Himawari). J Geogr (Jpn) 111(3):374–394 Seidel DJ, Randel WJ (2007) Recent widening of the tropical belt: evidence from tropopause observations. J Geophys Res 112:D20113. doi:20110.21029/22007JD008861 Settle M (1978) Volcanic eruption clouds and the thermal power output of explosive eruptions. J Volcanol Geoth Res 3:309–324 Simpson JJ, Hufford G, Pieri D, Berg JS (2000) Failures in detecting volcanic ash from a satellite-based technique. Remote Sens Environ 72:191–217 Simpson JJ, Hufford G, Pieri D, Berg JS (2001) Response to comments of failures in detecting volcanic ash from a satellite-based technique. Remote Sens Environ 78:347–357 Sparks RSJ, Bursik MI, Carey SN, Gilbert JE, Glaze L, Sigurdsson H, Woods AW (1997) Volcanic plumes. Chichester, Wiley, p 589 Textor C, Graf H, Herzog M, Oberhuber JM (2003) Injection of gases into the stratosphere by explosive volcanic eruptions. J Geophys Res 108(D19):4606. doi:4610.1029/2002JD002987 Textor C, Graf H, Herzog M, Oberhuber JM, Rose WI, Ernst GGJ (2006a) Volcanic particle aggregation in explosive eruption columns part I: parameterisation of the microphysics of hydrometeors and ash. J Volcanol Geoth Res 150:359–377 Textor C, Graf H, Herzog M, Oberhuber JM, Rose WI, Ernst GGJ (2006b) Volcanic particle aggregation in explosive eruption columns part II: numerical experiments. J Volcanol Geoth Res 150:378–394 Trentmann J, Luderer G, Winterrath T, Fromm M, Servranckx R, Textor C, Herzog M, Graf H-F, Andreae MO (2006) Modeling of biomass smoke injection into the lower stratosphere by a large forest fire (part I): reference simulation. Atmos Chem Phys Discuss 6:6041–6080 Tupper A, Wunderman R (2009) Reducing discrepancies in ground and satellite observed eruption cloud heights. J Volcanol Geotherm Res (in press) Tupper A, Carn S, Davey J, Kamada Y, Potts R, Prata F, Tokuno M (2004) An evaluation of volcanic cloud detection techniques during recent significant eruptions in the western ‘Ring of Fire’. Remote Sens Environ 91:27–46. doi:10.1016/j.rse.2004.1002.1004 Tupper A, Oswalt JS, Rosenfeld D (2005) Satellite and radar analysis of the volcanic-cumulonimbi at Mt Pinatubo, Philippines, 1991. J Geophys Res 110(D09204):746. doi:10.1029/2004JD005499 Tupper A, Itikarai I, Richards MS, Prata F, Carn S, Rosenfeld D (2007) Facing the challenges of the international airways volcano watch: the 2004/05 eruptions of Manam, Papua New Guinea. Weather Forecast 22(1):175–191 Valentine GA, Wohletz KH (1989) Numerical models of Plinean columns and pyroclastic flows. J Geophys Res 94:1867–1887 Williams ER, McNutt SR (2004) Total water contents in volcanic eruption clouds and implications for electrification and lightning. In: 2nd international conference on volcanic ash and aviation safety. Office of the federal coordinator for meteorological services and supporting research, Alexandra, Virginia, USA, pp 67–71 Wilson LS, Sparks RSJ, Huang TC, Watkins ND (1978) The control of volcanic column heights by eruption energetics and dynamics. J Geophys Res 83:1829–1836 Woods AW (1988) The fluid dynamics and thermodynamics of eruption columns. Bull Volcanol 50:169–193 Woods AW (1993) Moist convection and the injection of volcanic ash into the atmosphere. J Geophys Res 98:17627–17636 Woods AW (1995) The dynamics of explosive volcanic eruptions. Rev Geophys 33:495–530 Woods AW (1998) Observations and models of volcanic eruption columns. In: Gilbert JS, Sparks RSJ (eds) The physics of explosive volcanic eruptions. Geol Soc, London, pp 91–114