Den 3. april 1991 søster Emma Fondevilla, en missionær med base i en indfødt Aeta-landsby på flankerne af Mount Pinatubo, på den filippinske ø Luzon, førte en gruppe landsbyboere til at mødes med forskere fra det filippinske institut for vulkanologi og seismologi (PHIVOLCS). Fondevilla og landsbyboerne fortalte forskerne om en række dampudbrud på den nordvestlige side af bjerget.
Det næste, der udfoldede sig, ville ændre historien. På en eller anden måde overbeviste forskere mod alvorlige odds embedsmænd om at evakuere mere end 65.000 mennesker, der lever i Pinatubos skygge. Deres utrættelige indsats er en af de mest vellykkede risikobegrænsende bestræbelser på et stort vulkanudbrud.
Den 15. juni kl. lokal tid brød Pinatubo ud – den største vulkanske eksplosion siden Alaskas Novarupta i 1912. Dens askesky indeholdt 5 kubikmeter materiale – hævet til 40 kilometer høj. Fordi en forbipasserende tyfon samtidig bragte kraftige regnvejr, skyndte sig hurtigt at flyde aske, mudder og vulkansk affald kaldet lahars ned ad vulkanen, flade byer, smadrede gennem junglen og kvæle rispaddies og sukkerrørmarker. Vandet blandes også med faldende aske, hvilket skaber et cementlignende stof, og mange bygninger trængte ind fra vægten. Mere end 350 mennesker døde under udbruddet, de fleste af kollapsende tage.
Effekter fra Pinatubo sluttede ikke på den dato for 25 år siden. Gas fra askeflet stødte vejrmønstre og dæmpede virkningerne af den globale opvarmning det næste år. Lahars, der kan løbe ned ad et bjerg efter kraftige regnvejr, fortsatte med at udgøre trusler mod de omkringliggende befolkninger mere end et årti senere.
Pinatubos udbrud brød jorden, bogstaveligt og billedligt. Her er otte måder, hvorpå Pinatubo ændrede den måde, vi nærmer os og lærer af vulkanske farer.
Første hurtige videnskabelige vurdering af en vulkans historie
Når Pinatubo begyndte at rumle, oprettede PHIVOLCS tre seismometre på dens nordvestlige flanke. Efter at forskere fra US Geological Survey (USGS) – en del af Surveys Volcano Disaster Assistance Program (VDAP) – ankom 23. april, oprettede de et seismisk netværk med syv stationer, der ligger mellem 1 og 19 kilometer væk fra vulkanen. I løbet af maj registrerede seismometre mindst 200 små jordskælv om dagen.
Et helikoptermonteret spektrometer – en enhed, der oprindeligt blev udviklet til at overvåge emissioner fra røgstakke – spores dramatiske stigninger i svovldioxidemissioner fra ventilationskanaler. Gas undslipper, når magma stiger inde i en vulkan, så dette tegn på bevægende magma sammen med stigende seismicitet og deformation målt af tiltmetere førte forskere til at tro, at et udbrud var nært forestående.
Men forskere stod over for et kæmpe problem: De havde kun få uger til at lære så meget som muligt om Mount Pinatubos udbrudshistorie, før det blæste. Tilføj dertil en anden udfordring: Der eksisterede ingen baselineoplysninger om vulkanen, bortset fra en kulstofdato fra en 1980ers undersøgelse af området som et muligt sted for et atomkraftværk, sagde John Ewert, en geolog og medlem af VDAP-teamet, der var udsendt til Filippinerne.
En af de første ting, VDAP-teamet gjorde, var at konsultere kataloget over aktive vulkaner fra Smithsonian Institutions Global Volcanism Program. Pinatubo var ikke engang i det på det tidspunkt, sagde Ewert.
VDAP-forskere spildte ingen tid. De studerede lag af gamle pyroklastiske strømme og laharer omkring alle sider af vulkanen. De indsamlede og daterede prøver af trækul. De fløj i helikoptere rundt om vulkanen og kortlagde omfanget af tidligere strømme og besøgte fremspring.
Fra luften så forskerne, at pyroklastiske strømme dukkede op “højt oppe på kamme eller over kamme, der ville have blokeret alle men de største strømme, ”fortalte Chris Newhall, en vulkanolog, der var en del af VDAP-teamet på Filippinerne, til Eos. Observationerne bekræftede, hvor stort det forestående udbrud kunne være.
Fra disse undersøgelser regnede forskerne med, ud af, at vulkanen var eksploderet i mindst seks udbrudstider i løbet af de sidste 5000 år, korte udbrud af aktivitet efterfulgt af lange, stille perioder.Den seneste udbrud for 500 år siden. Hvad mere er, omkringliggende landsbyer blev bygget på gamle pyroklastiske strømme og laharer.
Først med succes mobiliseret udbredt evakuering
I begyndelsen af juni faldt svovldioxidemissionerne kraftigt til omkring 250 tons om dagen. Forskere mistænkte, at dette betød, at den tyktflydende, stigende magma havde klemt lukkede revner eller havde afkølet og mistet flygtige stoffer, hvilket på nogen måde forhindrede gas i at undslippe.
Omkring samme tid steg jordskælv inden for Pinatubo i styrke og varighed. I begyndelsen af juni flyttede jordskælvsklyngerne sig fra nordvest for vulkanen til lige under dens topmøde. Den 7. juni begyndte en lavakuppel at dukke op, og den 10. juni sprang svovldioxidemissionerne ud til mere end 13.000 tons om dagen. I løbet af de næste par dage rystede eksplosioner – nogle genererende aske- og affaldssøjler op til 24 kilometer høje – vulkanen.
Disse tegn pegede på én ting: Vulkanen var ved at blæse. Men hvordan kunne forskere overbevise de næsten 1 million mennesker, der bor omkring vulkanen, om at de måske har brug for at evakuere?
Indsatsen var høj: Bare 6 år tidligere brød Nevado del Ruiz i Colombia ud og dræbte mere end 23.000 mennesker . En “opdeling af kommunikation” blandt forskere og lokale myndigheder var delvis skylden, sagde Ewert.
På få uger måtte PHIVOLCS og VDAP-forskere fortolke alle de data, de samlede om vulkanens udbrudshistorie og form det til et simpelt advarselsskema. Ordningen skulle være effektiv og let fordøjelig – nok til at de kunne overbevise titusinder af mennesker, der boede omkring vulkanen, som talte flere forskellige dialekter og endda forskellige sprog, til at evakuere.
Sprog var ikke den eneste hindring. “En af vores største udfordringer, da vi kom til Filippinerne, var faktisk at overbevise folk om, at det faktisk var en vulkan,” sagde Ewert. Mange lokale beskyldte forskerne fra både PHIVOLCS og USGS for at lyve af økonomisk gevinst eller af politiske årsager.
Holdet holdt ud og samlede lokale ledere i byer, byer og små landsbyer for at forklare farerne og besvare spørgsmål. En del af denne uddannelseskampagne involverede visning af grusomme videooptagelser fra Nevado del Ruiz-tragedien, der skildrede destruktive askestrømme, vulkanske mudderstrømme, askefald, jordskred, lavastrømme og meget mere. Selvom forskerne var bekymrede for at overvurdere farerne, vurderede de til sidst (og bedømmer stadig), at der var behov for stærke billeder for at vække befolkningen, ”reflekterede PHIVOLCS og USGS-forskere i 1996.
Her forskere lærte en stærk lektion i risikoreduktion. Som Ewert forklarede, “At vise folk, hvad der var sket andre steder i verden, var meget mere effektivt end en videnskabsmand, der stod op i en menneskemængde, der forsøgte at forklare det med fortolkende dans og håndbevægelser.”
I begyndelsen af juni opfordrede embedsmænd til evakuering af 25.000 mennesker, der bor i området, inklusive amerikanske servicefolk ved Clark Air Base og den amerikanske flådestation i Subic Bay. “Den 14. juni var den anbefalede evakueringsradius 30 kilometer, hvilket ville have været gældende for måske 400.000 mennesker,” sagde Newhall. Aldrig før havde der været gjort et så bredt evakueringsforsøg inden et vulkanudbrud.
På det tidspunkt vulkanen brød ud den 15. juni, forskere og offentlige embedsmænd havde overbevist mere end 65.000 mennesker om at evakuere. Mere end 350 døde under udbruddet, men USGS og PHIVOLCS vurderer, at evakueringsindsatsen reddede mellem 5000 og 20.000 liv.
Betydningen af effektiv kommunikation
I 1991 måtte forskere slå oplysninger op i bøger, lave fotokopier og faxoplysninger til hinanden, sagde Ewert. Dette var en tid før GPS og før data kunne sendes via satellit. Smartphones var science fiction.
I en æra uden en 24-timers nyhedscyklus kunne forskere ved PHIVOLCS og USGS ikke forsyne de lokale befolkninger med minut-til- minutopdateringer, meget mindre dag-til-dag, og rygter spredte sig. Et af disse rygter hævdede, at der var dannet en 3 kilometer lang sprække efter udbruddet, og at den nærliggende by Olongapo snart ville blive ramt af en kæmpe lateral eksplosion.
“Mobiltelefoner hjalp kort, så længe som deres batterier varede, ”reflekterede forskere fra PHIVOLCS og USGS i 1996.”Men det var først den 16. juni, at vi kunne fortælle landet, at der allerede var dannet en caldera, og at klimaks af udbruddet sandsynligvis var passeret.”
Dagens avancerede værktøjer ville have været nyttige, men “i til slutning, for vellykket begrænsning af naturlige farer, kommer det hele ned på, hvor effektive forskere og offentlige embedsmænd er i at kommunikere med hinanden og offentligheden, ”sagde Ewert til Eos.
Ny forståelse af udløsere til udbrud, der involverer flere Typer af magma
Efter eksplosionen afslørede undersøgelser af afkølet lava, at udbruddet involverede en blanding af forskellige typer magma, et fænomen, der var set før, men ikke var helt forstået. Forskere havde været opmærksomme på blandede magmaudbrud, men de var ikke sikre på, hvad der udløste dem, sagde Ewert.
Magma kan klassificeres i typer, der skelner mellem hvor meget silica de indeholder og hvor tyktflydende de er, blandt andre karakteristika. Basaltiske vulkaner, som dem på Hawaii, har mindre tyktflydende “løbende” magmapuljer. Silikamagma – lavet af dacit eller rhyolit – er mere klæbrig og mere tyktflydende. Det rummer mere gas, som når det er trykløst, bryder mere eksplosivt ud.
Undersøgelser af lavaaflejringer efter eksplodering af Pinatubo afslørede noget nysgerrig: mineraler, der sidder sammen, der normalt ikke ville eksistere sammen, hvis magma kom fra en kilde, forklarede Newhall. Termiske signaturer – for eksempel krystaller, der delvis resorberede, kemisk diffusion mellem krystaller – antydede, at magma var oprindeligt en blanding af basalt og dacit før udbruddet. Men ved udbruddet var magma fuldstændig dacit.
Basalt magma er tættere end dacit, så baseret på tæthed alene “skulle basalt have blevet fanget under dacitten, ”sagde Newhall. I stedet steg den ind i dacitten og blandedes med den. Men hvordan?
Først når den friske, vandrige og betydeligt varmere basalt ramte det køligere dacitreservoir, krystalliserede basalten, forklarede Newhall. Det pressede basaltets vand og andre opløste gasser ned i den resterende smelte. I stedet for at forblive begrænset, flygtede flygtige stoffer fra smelten og “dannede små bobler, der nedsatte tætheden af den samlede basaltiske magma,” sagde Newhall. “Så det var flydende og steg ind i og blandet med en lille mængde af dacitten. Det tilføjede endnu flere flygtige stoffer. ”
Den resulterende opslæmning var stadig mindre tæt end omgivelserne, så den blev ved med at stige og var den første, der brød ud. Til sidst opvarmede dacitten sig nok til at stige til overfladen og bryde ud.
Denne magmablanding manifesterede sig som subtilt rumlende jordskælv, der til tider varede ca. et minut lange, kaldet dybe langvarige jordskælv (DLP). Langvarige jordskælv indikerer, at magma trænger ind i omgivende klippe, men forskere havde oftere observeret disse begivenheder på dybder mindre end 10 kilometer. Før Pinatubo var DLP-jordskælv sjældent blevet observeret og blev ikke forstået fuldt ud.
I dag er DLP-jordskælv “noget vi ser efter, hvis vi har en vulkan, der er ved at vågne op,” sagde Ewert. Et sådant signal giver forskere spor i bevægelser inden for vulkanens VVS.
Opdagelse af, at mere gas bryder ud end undersøgelser af klipper, der kan afsløre
Indtil Pinatubo antog forskere, at mængden af gas, som et vulkanudbrud frigav – hovedsageligt vand damp, kuldioxid og svovldioxid – blev styret af magma volumen udbrudt og de mætningsniveauer, gassen kunne nå inden for magmaet, afhængigt af magmas temperatur. Indsamling af denne information indebærer undersøgelse af krystaller af afkølet lava efter et udbrud, sagde Ewert .
Men hvad forskere fandt ved Pinatubo ved direkte at studere emissioner var, at “der var langt mere svovlgas udgivet i atmosfæren, end man kunne tage højde for ”Ved at studere krystaller, sagde Ewert. Dette antydede, at emissioner af vanddamp og kuldioxid – de gasser, der dominerer emissioner – også var mere end forskerne forventede.
Før Pinatubo troede forskere, at gas, der ikke kunne opløses i magmaen, slap ud gennem ventilationskanaler. til overfladen. Men hele 17 megaton svovldioxid blev frigivet ved eksplosionen målt ved hjælp af satellitspektrometer.Dette antydede, at store mængder gas kunne akkumuleres som bobler og forblive i magmakammeret, forklarede Newhall
Fordi denne overskydende gas gør et udbrud mere eksplosivt, kan det endda være, at sådan fri gas er påkrævet for en Pinatubo -som udbrud, sagde Newhall. Hvis flygtige stoffer allerede er overskydende, kan de straks ekspandere, når trykket falder uden forsinkelse fra at diffundere gennem smelte.
At vide, at magmas kan holde overskydende gas, kan hjælpe med at forudsige indsats, forklarede Newhall. For eksempel, hvis en vulkan er tilsluttet siden dens tidligere udbrud, men stadig er blevet genopladet med frisk magma og gas fra dybden, kan forskere undersøge tiden mellem dens udbrud for at måle, om vulkanen har akkumuleret nok overskydende gas til at gøre den særlig eksplosiv.
Belysning af detaljer om atmosfærisk cirkulation
Den samlede mængde svovldioxid frigivet før og under udbruddet forårsagede den mest dybtgående effekt på stratosfæren siden Krakatau i 1883. De svovlholdige aerosoler, der dannedes fra svovldioxiden cirkulerede jorden inden for 3 uger og forblev i atmosfæren i 3 år, hvilket reflekterede nok sollys til at afkøle hele planeten med en halv grad Celsius i løbet af den tid.
Dog i løbet af den følgende vinter , Europa oplevede overraskende varme temperaturer. Denne vinteropvarmning var ikke blevet observeret efter tidligere vulkanudbrud, som Mexicos El Chichón i 1982. Hvad kunne der foregå?
Brug af atmosfæriske cirkulationsmodeller og computersimuleringer til at undersøge, hvordan Pinatubos svovl-aerosolsky rejste rundt i globalt, fandt forskere, at svovlholdige aerosoler reflekterer sollys udad, mens de absorberer varme nedenfra, hvilket fører til afkøling af troposfæren, mens de opvarmes den nedre stratosfære, forklarede Alan Robock, en atmosfærisk forsker ved Rutgers University i New Brunswick, NJ
Denne temperaturgradient styrket den arktiske svingning, et vindmønster, der cirkler rundt om Arktis. I sin stærke fase trækker den arktiske oscillation varm luft fra havet, opvarmer Nordeuropa og skifter den globale jetstrøm mod nord – den “flod” af vind, der strømmer rundt om kloden.
Den forskudte jetstrøm tilladt varme vinde flyder over den nordlige halvkugle om vinteren, sagde Robock. Fordi jetstrømmen strømmer som en bølge, mens Europa modtog varm luft fra syd, modtog Mellemøsten koldere luft fra nord og bragte til Jerusalem den værste snestorm om 40 år.
“På tidspunktet for Pinatubo-udbruddet vidste ingen om vinteropvarmning,” sagde Robock. Bevæbnet med fremskridt inden for modellering plus de stærkt overvågede atmosfæriske effekter fra Pinatubos udbrud er atmosfæriske forskere bedre forberedt på at forudsige de globale virkninger af det næste store udbrud, tilføjede Robock.
En styrket sag, som mennesker forårsager global opvarmning.
Udbruddet hjalp forskere med en endelig erklæring om, at menneskelige emissioner af drivhusgasser er skyld i mindst de sidste 60-70 år med opvarmning.
Forskere spores svovl-aerosoler fra Pinatubos udbrud som de rejste rundt i verden. I 2 år efter eksplosionen afkøledes overfladetemperaturer som forudsagt af klimamodeller, der inkluderede Pinatubos injektioner i atmosfæren. Temperaturerne steg igen, når de afkølende aerosoler faldt ud af atmosfæren.
Pinatubo fungerede på en måde som et naturligt klimaeksperiment til at teste og kalibrere modeller. Forskere tilsluttede observerede vulkanske emissioner til klimaforandringsmodeller med og uden menneskeskabte emissioner af drivhusgasser. I simuleringerne, der kun omfattede vulkanudbrud, så forskerne ikke de sidste 60-70 år med konstant opvarmning, forklarede Robock.
Denne observation hjalp klimaforskere med at skærpe deres modeller yderligere og bekræftede, at mennesker – og hidtil usete mængder drivhusgasser, som de hvert år pumper ud i atmosfæren – er skyld i det opvarmende klima. Det mellemstatslige panel for klimaændringer var i stand til at bruge disse nyligt skærpede modeller til yderligere at støtte tilskrivningen af klimaforandringer til menneskelige aktiviteter.
Mere vægt på argumenter mod geoteknik
Nogle forskere har foreslået hacking ind i vores egen atmosfære for at modvirke virkningerne af klimaændringer, men Pinatubos udbrud rejste store bekymringer over, om sådan direkte manipulation kunne kontrolleres. Kendt som “geo-engineering”, ville en af disse metoder involvere indsprøjtning af svovldioxidpartikler i atmosfæren, ligesom et vulkanudbrud ville være.
Robock og andre forskere er enige om, at denne form for injektion ville have negative konsekvenser.En konsekvens er ødelæggelsen af atmosfærens ozonlag, som forhindrer farlige ultraviolette stråler i at ramme jorden.
Skyer af svovlsyrepartikler – skabt, når svovldioxid, der netop er injiceret i stratosfæren, møder vand – giver overflader, på hvilke ozon -ødelæggelse af kemiske reaktioner finder sted. I de 2 år efter udbruddet steg atmosfærisk ozonødelæggelse, og ozonhullet over den sydlige halvkugle steg til en “hidtil uset størrelse.”
Robock sagde, at for at standse den globale opvarmning ville mennesker være nødt til at injicere 100 millioner tons svovldioxid i atmosfæren hvert år – det svarer til ca. fem Pinatubo-udbrud om året. Forskere er generelt enige om, at konsekvenserne af geoteknik er for risikable til at forsøge. Det ville være sikrere og mere praktisk at reducere kuldioxidemissioner og ” hold fossile brændstoffer i jorden, ”sagde Robock.
Pinatubos arv
I 1996 skrev forskere fra USGS og PHILVOLCS denne nøgterne påmindelse om hvordan, hvis faktorer havde været forskellige, kunne katastrofen muligvis ikke være blevet afværget ved Pinatubo-bjerget: “Efterhånden skulle vi have været mindre bekymrede over at overvurdere faren og mere bekymrede over hurtige forberedelser til evakuering. Pinatubo næsten overhalede os.”
Pinatubo-bjerget står for nu relativt stille, cirka 300 meter kortere, end det var før det eksploderede for 25 år siden. Hvad kan de næste 25 år bringe Pinatubo? Tiden vil vise.
– JoAnna Wendel, Staff Writer; og Mohi Kumar, Editor for videnskabelig indhold, Eos.org