Introducción
Hunga Tonga-Hunga Ha'apai (HT-HH), es un volcán submarino en el Pacífico Sur (20,54°S, 175,38°O), alcanzó el clímax de su fase de erupción el 15 de enero de 2022. La explosión envió una columna volcánica a la mesosfera hasta altitudes de 57 km, un récord en la era de los satélites. También disparó alertas de tsunami en todo el mundo, olas que se propagaron a nivel mundial y perturbaciones ionosféricas.
Además de partículas, las erupciones volcánicas pueden arrojar grandes cantidades de gases a la estratosfera. Aunque alrededor del 80% de este volumen de gas puede ser vapor de agua H2O magmático hasta el 90% de la humedad emitida por los volcanes suele eliminarse por condensación en el punto frío de la tropopausa. También se encuentran a menudo cantidades considerables de dióxido de carbono CO2 y dióxido de sulfuro SO2 en las columnas volcánicas, junto con ácido clorhídrico HCl y otros gases traza. El SO2 reacciona con el H2O y el ión oxidrilo OH para formar aerosoles de sulfato submicrónicos que reflejan la radiación solar y reducen la temperatura de la superficie. Por ejemplo, la influencia radiativa de la erupción del Monte Pinatubo de 1991 “puso fin a varios años de temperatura superficial globalmente cálida”, lo que ilustra la capacidad de las erupciones volcánicas para alterar sustancialmente el clima global.
La composición de la pluma del volcán HT-HH no tiene precedentes, ya que la erupción inyectó grandes cantidades de H2O directamente en la estratosfera. El alto contenido de humedad de la pluma quizás no sea sorprendente ya que la caldera del HT-HH estaba situada a 150 m bajo el nivel del mar, donde el agua en contacto con el magma en erupción (a temperaturas de ∼1100–1470 K ) fue sobrecalentado, resultando en vapor explosivo.
El Microwave Limb Sounder (MLS) a bordo del satélite Aura de la NASA proporciona mediciones de 15 gases traza, entre ellos H2O, HCl y SO2. El MLS mide la emisión térmica del limbo de la Tierra, cubriendo regiones espectrales cercanas a 118, 190, 240 y 640 GHz. MLS es muy adecuado para observar penachos volcánicos, ya que la radiación de microondas no se ve afectada en gran medida por los aerosoles de sulfato.
Inyección de H2O estratosférico sin precedentes
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| Serie temporal de proporciones de mezcla máximas de H2O, SO2 y HCl con selección de calidad a diferentes niveles de presión. Los máximos de SO2 a 14 hPa y los máximos de HCl a 31 hPa después de la erupción HT-HH se muestran en rosa. |
La erupción del HT-HH no inyectó grandes cantidades de HCl o SO2 en la estratosfera. La masa total inyectada de SO2 estratosférico fue de 0,41 ± 0,02 Tg, que palidece en comparación con erupciones anteriores medidas por MLS, como el volcán Kasatochi de 2008 ,o el Sarychev de 2009 o las erupciones de del Raikoke de 2019, cada una de las cuales emitió ~1 Tg. La masa de SO2 inyectada por el HT-HH es aún menos notable en el contexto de las 17 Tg inyectadas por la erupción del Pinatubo de 1991.
El único aspecto inusual de la pluma de SO2 es su altura de inyección. Las columnas de SO2 normalmente se inyectan a altitudes no superiores a 46 hPa (∼21 km). HT-HH es la única inyección observada por MLS que produjo valores máximos de SO2 a 14 hPa (∼29 km), con valores detectados hasta 6,8 hPa (∼35 km). Para el 27 de enero, la pluma de SO2 cayó por debajo de los niveles de fondo.
La inyección de HCl fue igualmente normal. Al igual que con el SO2, el único aspecto inusual de la pluma de HCl es su altura de inyección de 31,6 hPa (∼24 km), mientras que las erupciones anteriores no alcanzaron más de 68 hPa (∼18,6 km).
Por el contrario, la magnitud de la inyección del HT-HH de H2O no tiene precedentes. Existen tres vías naturales para la inyección directa de H2O en la estratosfera: convección excesiva, tormentas de pirocumulonimbos (piroCb) y erupciones volcánicas. El registro anterior de H2O estratosférico medido por MLS fue de 26,3 ppmv a 100 hPa asociado con un evento convectivo de exceso en agosto de 2019 que abarcó miles de kilómetros cuadrados y persistió durante varias horas. Dos eventos de pirocúmulos se destacan en el registro de H2O de la MLS: el Noroeste del Pacífico de 2017 y el Año Nuevo australiano de 2019/2020. Solo los pirocúmulos australianos inyectaron suficiente H2O para permitir una estimación precisa de la masa (19 ± 3 Tg).
Las erupciones volcánicas del Kasatochi de 2008 y del Calbuco de 2015 fueron las únicas en el registro de la MLS que inyectaron cantidades apreciables de H2O en la estratosfera. Ninguno depositó H2O a altitudes superiores a 68 hPa (∼18,6 km), y ambas inyecciones fueron demasiado pequeñas para una estimación fiable de la masa de H2O.
La erupción del HT-HH inyectó al menos 146 ± 5 Tg de H2O en la estratosfera, no solo superando las magnitudes de todas las demás inyecciones en el registro de la MLS, sino también eclipsando una estimación teórica de 37,5 Tg del Pinatubo. Esta inyección de H2O estratosférico es única en el registro satelital (1979 a la fecha). Para poner la inyección del HT-HH en perspectiva, representa aproximadamente el 10% de la carga estimada de H2O estratosférico de 1400 Tg. Además, la altura de la inyección de la pluma de H2O superó con creces la de cualquier otra inyección en el registro de la MLS
Evolución de la pluma de H2O
El 15 de enero, la pluma alcanzó los 0,46 hPa (∼53 km). El 16 de enero fueron visibles dos penachos separados, uno en la estratosfera superior (entre 1 y 8 hPa) y el otro en la estratosfera inferior (entre 10 y 80 hPa), donde se inyectó la mayor parte del volumen de H2O. En este día, los efectos en la pluma de una fuerte cizalladura del viento entre 1 y 8 hPa fueron evidentes.
Para el 22 de enero, el penacho había dado la vuelta casi por completo al globo a 2,1 hPa, mientras que solo viajaba a la mitad de velocidad a 26 hPa. En promedio, durante enero y febrero, la pluma se movió aproximadamente 37° de longitud por día a 2,1 hPa, pero solo unos 18° de longitud por día de 31 a 6 hPa, en consonancia con los vientos de los análisis meteorológicos. Para el 5 de febrero, la pluma cubría todas las longitudes, con las mayores concentraciones de 38 a 21 hPa (∼ 22–26 km). Para el 31 de marzo, la pluma de alrededor de 4,6 hPa se había reducido a valores cercanos al fondo.
Las mediciones del 31 de marzo muestran la persistencia de la pluma de H2O en la estratosfera baja y media. Al mismo tiempo que rodeaba el globo, la pluma de H2O se ensanchaba lentamente, extendiéndose principalmente hacia el norte alrededor de 26 hPa. Este penacho requerirá un mayor seguimiento a medida que la señal de la erupción se propague hacia la estratosfera superior y hacia los polos en la Circulación Brewer-Dobson (BDC).
Discusión
La importancia del H2O estratosférico está bien establecida; afecta la química y la dinámica estratosférica, así como la radiación atmosférica. Por ejemplo, el exceso de H2O estratosférico podría aumentar las concentraciones de OH, aumentando ligeramente la producción de ozono O3 a través del ciclo de oxidación del metano CH4 pero empeorando el agotamiento de O3 a través del ciclo de HOx, lo que lleva a una disminución neta de O3. El incremento en las concentraciones de OH también podrían aumentar la pérdida de CH4, lo que resultaría en una disminución de su vida y, por lo tanto, reduciría su efecto a largo plazo sobre el clima. Además, si el incremento de las concentraciones de H2O se incorporaran al vórtice antártico en desarrollo en una medida suficiente para elevar la temperatura de formación de las nubes estratosféricas polares, se aumentaría la pérdida química acumulativa de O3. En términos de transporte, un estudio de la respuesta dinámica a una duplicación uniforme del H2O estratosférico concluyó que dicha humectación podría reducir la temperatura estratosférica y aumentar la fuerza del BDC; también podría resultar en que los chorros troposféricos del oeste se vuelvan más fuertes y las trayectorias de las tormentas se desplacen hacia los polos. Dado que la inyección del HT-HH es aproximadamente el 10% de la carga de H2O estratosférica, una respuesta dinámica de menor magnitud sería lo esperado.
El H2O ingresa a la estratosfera principalmente en los trópicos, donde se liofiliza
en el punto frío de la tropopausa. Este mecanismo da lugar a la “grabadora”, mediante la cual el ciclo anual de las temperaturas de la tropopausa se imprime en bandas alternas de aire seco y húmedo que se elevan en la estratosfera tropical. Al cortocircuitar la vía a través del punto frío, el HT-HH ha interrumpido esta señal de "latido del corazón" (ver figura inferior)
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| (a) La grabadora atmosférica (anomalías zonales medias de H2O en los trópicos). (b) Serie temporal de H2O casi global (60°S a 60°N) a 100 y 31 hPa. Las abundancias de H2O se basan en datos del Microwave Limb Sounder. |
De acuerdo con el mecanismo de liofilización, las temperaturas inusualmente bajas de la tropopausa alrededor del año 2001 provocaron una fuerte caída en la cantidad de H2O que ingresa a la estratosfera. Esta anomalía seca se propagó a través del BDC, ascendiendo lentamente a través de la estratosfera y moviéndose hacia los polos. Usando la propagación de la caída de H2O de 2001 como un análogo para el transporte de la pluma del HT-HH, esperamos que el ascenso pueda transportar H2O volcánico a 10 hPa dentro de aproximadamente 9 meses después de la erupción. El exceso de H2O podría llegar a las latitudes medias del norte y del sur en aproximadamente 18 y 24 meses respectivamente, en un amplio dominio en la estratosfera superior. Dado que parte de la pluma ha entrado en la rama inferior del BDC, el H2O elevado puede alcanzar latitudes medias estratosféricas más bajas en unos pocos meses. La escala de tiempo para la disipación completa del penacho puede ser de 5 a 10 años.
Los cálculos radiativos de la caída repentina de H2O de ~0,4 ppmv (a 100 hPa) en 2001 demostraron que el forzamiento radiativo de incluso pequeñas variaciones en el H2O de la estratosfera inferior podría inducir cambios a escala decenal en la temperatura superficial media global. En el caso del volcán HT-HH serían sin precedentes lo que corresponde a ∼1,5 ppmv (a 31 hPa) si se promediara entre 60°S y 60°N.
Estudios previos de los efectos radiativos de las perturbaciones del H2O estratosférico, incluida la inyección volcánica directa, han demostrado que pueden provocar el calentamiento de la superficie. Como se estableció anteriormente, la erupción del HT-HH fue inusual porque inyectó cantidades extremadamente grandes de H2O. Las simulaciones preliminares del modelo climático sugieren un forzamiento radiativo efectivo en la tropopausa de +0,15 W/m2 debido al incremento del H2O. A modo de comparación, el aumento del forzamiento radiativo debido al crecimiento del CO2 entre 1996 y 2005 fue de aproximadamente +0,26 W/m2. De modo que el incremento de H2O del HT-HH ejercerá un forzamiento radiativo positivo en la superficie, compensando el enfriamiento de la superficie causado por el forzamiento radiativo de los aerosoles.
En otras palabras, el forzamiento radiativo del HT-HH nos ha hecho avanzar en el cambio climático aproximadamente 5 o 6 años lo que quiere decir que este verano de 2022 hemos vivido un verano típico de 2027 o 2028. Además como la inyección de vapor tardará aproximadamente ese tiempo o incluso más en disiparse. Muy probablemente los veranos de aquí a 2028 sean similares al de 2022 con la variabilidad natural esperada.
No es una buena noticia, pues este verano de 2022 ha sido el más cálido jamás registrado en amplias zonas el mundo y también el más seco. Lo que nos pone de manifiesto que los próximos veranos de aquí a 2028 podrían ser todos tan catastróficos como este 2022 y después de 2028 lejos de mejorar, debido al cambio climático, continuaríamos por la senda ascendente de las temperaturas y posiblemente de las sequías.
Dada la extraordinaria magnitud de la inyección de H2O del HT-HH y el hecho de que su tiempo de residencia estratosférico anticipado supera la escala de tiempo típica de 2 a 3 años para que los aerosoles de sulfato caigan de la estratosfera, El volcán HT-HH puede ser la primera erupción volcánica observada que impactó el clima no a través del enfriamiento de la superficie causado por los aerosoles de sulfato volcánico, sino más bien a través del calentamiento de la superficie causado por el exceso de forzamiento radiativo de H2O.
Resumen
En resumen, las mediciones del MLS indican que la erupción del HT-HH inyectó una cantidad excepcional de H2O directamente en la estratosfera. La magnitud de la inyección constituyó al menos el 10% de la carga total de H2O estratosférico. El día de la erupción, el penacho de H2O alcanzó una altitud de ~53 km. La inyección de H2O pasó el punto frío de condensación de la tropopausa, interrumpió la señal de la grabadora de cinta de H2O, estableció un nuevo récord de altura de inyección de H2O en el récord de 17 años de la MLS y podría alterar la química y la dinámica estratosférica a medida que la pluma de H2O de larga duración se propaga a través de la estratosfera en el BCD. A diferencia de anteriores erupciones fuertes en la era de los satélites, el HT-HH podría afectar el clima no a través del enfriamiento de la superficie debido a los aerosoles de sulfato, sino más bien a través del calentamiento de la superficie debido al exceso de forzamiento de H2O estratosférico. Dadas las posibles consecuencias de alto impacto de la inyección de H2O del HT-HH, es fundamental continuar monitoreando los gases volcánicos de esta erupción y las futuras para cuantificar mejor sus diferentes roles en el clima.
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