Op 3 april 1991, zuster Emma Fondevilla, een missionaris gevestigd in een inheems Aeta-dorp op de flanken van Mount Pinatubo, op het Filippijnse eiland Luzon, leidde een groep dorpelingen om wetenschappers van het Philippine Institute of Volcanology and Seismology (PHIVOLCS) te ontmoeten. Fondevilla en de dorpelingen vertelden de wetenschappers over een reeks stoomuitbarstingen aan de noordwestelijke kant van de berg.
Wat daarna gebeurde, zou de geschiedenis veranderen. Op de een of andere manier, tegen alle verwachtingen in, hebben wetenschappers ambtenaren ervan overtuigd om meer dan 65.000 mensen die in de schaduw van Pinatubo leven, te evacueren. Hun onvermoeibare inspanningen zijn een van de meest succesvolle inspanningen om de gevaren van een grote vulkaanuitbarsting te beperken.
Op 15 juni om ongeveer 13:42 uur. lokale tijd barstte Pinatubo uit – de grootste vulkanische explosie sinds Novarupta in Alaska in 1912. De aswolk bevatte 5 kubieke kilometer materiaal – verheven tot 40 kilometer hoog. Omdat een voorbijgaande tyfoon tegelijkertijd zware regenval veroorzaakte, stormden snel bewegende stromen as, modder en vulkanisch puin, lahars genaamd, de vulkaan af, waarbij steden werden platgewalst, door de jungle sloegen en rijstvelden en suikerrietvelden werden verstikt. Het water vermengde zich ook met vallende as, waardoor een cementachtige substantie ontstond, en veel gebouwen stortten in door het gewicht. Meer dan 350 mensen stierven tijdens de uitbarsting, de meeste door instortende daken.
Effecten van Pinatubo eindigden niet op die datum 25 jaar geleden. Gas uit de aspluim verdrong weerpatronen en dempte de effecten van de opwarming van de aarde voor het komende jaar. Lahars, dat na zware regenval een berg af kan rennen, bleef meer dan een decennium later een bedreiging vormen voor de omringende bevolking.
De uitbarsting van Pinatubo brak letterlijk en figuurlijk de grond in. Hier zijn acht manieren waarop Pinatubo de manier veranderde waarop we vulkanische gevaren benaderen en ervan leren.
Eerste snelle wetenschappelijke beoordeling van de geschiedenis van een vulkaan
Toen Pinatubo begon te rommelen, zette PHIVOLCS drie seismometers op zijn noordwestelijke flank. Nadat wetenschappers van de U.S. Geological Survey (USGS) – onderdeel van het Volcano Disaster Assistance Program (VDAP) van de Survey – op 23 april arriveerden, hebben ze een seismisch netwerk opgezet van zeven stations op een afstand van 1 tot 19 kilometer van de vulkaan. In mei registreerden seismometers minstens 200 kleine aardbevingen per dag.
Een op een helikopter gemonteerde spectrometer – een apparaat dat oorspronkelijk was ontwikkeld om de emissies van schoorstenen te controleren – volgde dramatische toenames in zwaveldioxide-emissies uit ventilatieopeningen. Gas ontsnapt als magma opstijgt in een vulkaan, dus dit teken van bewegend magma, samen met toenemende seismiciteit en vervorming gemeten door tiltmeters, leidde ertoe dat wetenschappers dachten dat er een uitbarsting aanstaande was.
Maar wetenschappers stonden voor een enorm probleem: Ze hadden maar een paar weken de tijd gehad om zoveel mogelijk te weten te komen over de uitbarstende geschiedenis van Mount Pinatubo, voordat hij blies. Voeg daar nog een uitdaging aan toe: er bestond geen basisinformatie over de vulkaan, behalve één koolstofdatum uit een onderzoek uit de jaren tachtig van het gebied als een mogelijke locatie voor een kerncentrale, zei John Ewert, een geoloog en lid van het VDAP-team ingezet om de Filippijnen.
Een van de eerste dingen die het VDAP-team deed, was de catalogus van actieve vulkanen raadplegen van het Global Volcanism Program van het Smithsonian Institution. Pinatubo stond er destijds niet eens in, zei Ewert.
VDAP-wetenschappers verspilden geen tijd. Ze bestudeerden lagen van oude pyroclastische stromen en lahars die alle kanten van de vulkaan omringden. Ze verzamelden en dateerden houtskoolmonsters. Ze vlogen in helikopters rond de vulkaan, brachten de omvang van eerdere stromen in kaart en bezochten ontsluitingen.
Vanuit de lucht zagen de wetenschappers dat pyroclastische stromen hoog op bergkammen of over bergkammen verschenen die alles zouden hebben geblokkeerd. maar de grootste stromen, ”vertelde Chris Newhall, een vulkanoloog die deel uitmaakte van het VDAP-team in de Filippijnen, tegen Eos. De waarnemingen bevestigden hoe groot de aanstaande uitbarsting zou kunnen zijn.
Uit deze onderzoeken dachten de wetenschappers uit dat de vulkaan in de afgelopen 5000 jaar in ten minste zes uitbarstingsperioden was ontploft, korte uitbarstingen van activiteit gevolgd door lange, rustige periodes.De meest recente uitbarsting vond 500 jaar geleden plaats. Bovendien werden omliggende dorpen gebouwd op oude pyroclastische stromen en lahars.
Eerste met succes gemobiliseerde wijdverspreide evacuaties
Begin juni daalde de uitstoot van zwaveldioxide sterk tot ongeveer 250 ton per dag. Wetenschappers vermoedden dat dit betekende dat het stroperige, opstijgende magma scheuren had dichtgeknepen of was afgekoeld en vluchtige stoffen had verloren, waardoor in beide gevallen geen gas kon ontsnappen.
Rond dezelfde tijd namen aardbevingen in Pinatubo toe in kracht en duur. Begin juni trokken de aardbevingsclusters van het noordwesten van de vulkaan naar net onder de top. Op 7 juni begon een lavakoepel aan de oppervlakte te komen en op 10 juni steeg de uitstoot van zwaveldioxide tot meer dan 13.000 ton per dag. In de daaropvolgende dagen deden explosies – sommige genereerden kolommen van as en puin tot wel 24 kilometer hoog – de vulkaan.
Deze tekens wezen op één ding: de vulkaan stond op het punt uit te blazen. Maar hoe konden wetenschappers de bijna 1 miljoen mensen die rond de vulkaan wonen ervan overtuigen dat ze misschien moeten evacueren?
De inzet was hoog: slechts 6 jaar eerder barstte de Nevado del Ruiz in Colombia uit en doodde meer dan 23.000 mensen . Een “storing in de communicatie” tussen wetenschappers en lokale autoriteiten was gedeeltelijk de schuld, zei Ewert.
In slechts een paar weken moesten PHIVOLCS- en VDAP-wetenschappers alle gegevens interpreteren die ze verzamelden over de uitbarstende geschiedenis van de vulkaan en vorm het in een eenvoudig waarschuwingsschema. Het plan moest effectief en licht verteerbaar zijn – genoeg zodat ze tienduizenden mensen die rond de vulkaan woonden, die verschillende dialecten en zelfs verschillende talen spraken, konden overtuigen om te evacueren.
Taal was niet het enige obstakel. “Een van onze grootste uitdagingen toen we in de Filippijnen aankwamen, was om er daadwerkelijk van te overtuigen dat de mensen in feite een vulkaan waren,” zei Ewert. Veel plaatselijke bewoners beschuldigden de wetenschappers van zowel PHIVOLCS als USGS van liegen uit financieel gewin of politieke redenen.
Het team zette door en verzamelde lokale leiders van steden, dorpen en kleine dorpen om de gevaren uit te leggen en vragen te beantwoorden. Onderdeel van deze educatieve campagne was het tonen van gruwelijke videobeelden van de Nevado del Ruiz-tragedie met destructieve asstromen, vulkanische modderstromen, asstromen, aardverschuivingen, lavastromen en meer. Hoewel de wetenschappers zich zorgen maakten over het overdrijven van de gevaren, oordeelden ze uiteindelijk “toen (en nog steeds) dat er sterke beelden nodig waren om de bevolking wakker te schudden”, reflecteerden PHIVOLCS- en USGS-wetenschappers in 1996.
Hier wetenschappers leerde een krachtige les in risicobeperking. Zoals Ewert uitlegde, “was het veel effectiever om mensen te laten zien wat er op andere plaatsen in de wereld was gebeurd dan een wetenschapper die in een menigte opstond en probeerde het uit te leggen met interpretatieve dans en handgebaren.”
Begin juni riepen functionarissen op tot de evacuatie van 25.000 mensen die in het gebied woonden, inclusief Amerikaanse dienstmensen op Clark Air Base en het US Naval Station in Subic Bay. “Op 14 juni was de aanbevolen evacuatiestraal 30 kilometer, wat voor misschien wel 400.000 mensen zou gelden”, zei Newhall. Nooit eerder was zon wijdverbreide evacuatiepoging ondernomen vóór een vulkaanuitbarsting.
Tegen die tijd Toen de vulkaan op 15 juni uitbarstte, hadden wetenschappers en overheidsfunctionarissen meer dan 65.000 mensen overtuigd om te evacueren. Meer dan 350 mensen stierven tijdens de uitbarsting, maar USGS en PHIVOLCS schatten dat evacuatie-inspanningen tussen de 5000 en 20.000 levens hebben gered.
Belang van effectieve communicatie
In 1991 moesten wetenschappers informatie opzoeken in boeken, fotokopieën maken en informatie naar elkaar faxen, zei Ewert. een tijd voordat GPS en voordat gegevens via satelliet konden worden verzonden. Smartphones waren sciencefiction.
In een tijdperk zonder een 24-uurs nieuwscyclus konden wetenschappers van PHIVOLCS en USGS de lokale bevolking niet voorzien van minuut-tot- minuut updates, veel minder dagelijkse, en geruchten verspreiden. Een van deze geruchten beweerde dat zich na de uitbarsting een spleet van 3 mijl lang had gevormd en dat de nabijgelegen stad Olongapo binnenkort zou worden getroffen door een gigantische zijwaartse explosie.
“Mobiele telefoons hielpen even, zolang aangezien hun batterijen duurden, ”reflecteerden wetenschappers van PHIVOLCS en USGS in 1996.”Maar pas op 16 juni konden we het land vertellen dat er al een caldera was gevormd en dat de climax van de uitbarsting waarschijnlijk voorbij was.”
De geavanceerde tools van vandaag zouden nuttig zijn geweest, maar “in uiteindelijk, voor een succesvolle beperking van natuurlijke gevaren, komt het allemaal neer op hoe effectief wetenschappers en overheidsfunctionarissen zijn in de communicatie met elkaar en met het publiek, ”vertelde Ewert aan Eos.
Nieuw begrip van triggers voor uitbarstingen waarbij meerdere Typen magma
Na de explosie bleek uit onderzoek van afgekoelde lava dat de uitbarsting een mix van verschillende soorten magma betrof, een fenomeen dat eerder was gezien maar niet volledig werd begrepen. Wetenschappers waren op de hoogte van uitbarstingen van gemengde magmas, maar ze wisten niet wat ze veroorzaakte, zei Ewert.
Magma kan worden ingedeeld in typen die onder andere onderscheiden hoeveel silica ze bevatten en hoe viskeus ze zijn. Basaltische vulkanen, zoals die op Hawaï, hebben minder stroperige, ‘loopneus’ magmapoelen. Siliciummagma – gemaakt van daciet of rhyoliet – is kleveriger en stroperiger. Het bevat meer gas dat explosiever tot uitbarsting komt als het drukloos wordt.
Onderzoek naar lavastortingen nadat Pinatubo was geëxplodeerd, onthulde iets merkwaardigs: naast elkaar geplaatste mineralen die normaal niet naast elkaar zouden bestaan als magma uit één bron zou komen, legde Newhall uit. Thermische kenmerken – bijvoorbeeld kristallen die gedeeltelijk resorberen, chemische diffusie tussen kristallen – suggereerden dat magma aanvankelijk een mix van basalt en daciet voorafgaand aan de uitbarsting. Maar tegen het einde van de uitbarsting was magma volledig daciet.
Basaltmagma is dichter dan daciet, dus op basis van de dichtheid alleen “zou het basalt gevangen onder de daciet, zei Newhall. In plaats daarvan steeg het op tot de daciet en vermengde zich ermee. Maar hoe?
Ten eerste, toen het verse, waterrijke en aanzienlijk heter basalt het koelere dacietreservoir raakte, kristalliseerde het basalt, legde Newhall uit. Dat perste het water van het basalt en andere opgeloste gassen in de resterende smelt. In plaats van opgesloten te blijven, ontsnapten de vluchtige stoffen uit de smelt en vormden ze kleine belletjes die de dichtheid van het totale basaltmagma verminderden, zei Newhall. Dus het was drijvend en steeg op en mengde zich met een kleine hoeveelheid van het daciet. Dat voegde nog meer vluchtige stoffen toe. ”
De resulterende slurry was nog steeds minder dicht dan de omgeving, dus bleef stijgen en brak als eerste uit. Uiteindelijk werd de daciet zelf voldoende opgewarmd om naar de oppervlakte te stijgen en uit te barsten.
Deze magma-vermenging manifesteerde zich als subtiel dreunende aardbevingen die soms ongeveer een minuut duurden, de zogenaamde deep long-period (DLP) aardbevingen. Langdurige aardbevingen wijzen erop dat magma de omringende rotsen binnendringt, maar wetenschappers hadden deze gebeurtenissen vaker waargenomen op een diepte van minder dan 10 kilometer. Vóór Pinatubo werden DLP-aardbevingen zelden waargenomen en werden ze niet volledig begrepen.
Tegenwoordig zijn DLP-aardbevingen “iets waar we naar op zoek zijn als we een vulkaan hebben die wakker wordt”, zei Ewert. Zon signaal geeft wetenschappers aanwijzingen voor bewegingen in de leidingen van de vulkaan.
Ontdekking dat er meer gas uitbarst dan onderzoek van rotsen kan onthullen
Tot Pinatubo gingen wetenschappers ervan uit dat de hoeveelheid gas die bij een vulkaanuitbarsting vrijkwam, voornamelijk water damp, kooldioxide en zwaveldioxide – werd bepaald door het volume van uitbarsting van magma en de verzadigingsniveaus die het gas in het magma kon bereiken, afhankelijk van de temperatuur van het magma. Het verzamelen van deze informatie omvat het bestuderen van kristallen van afgekoelde lava na een uitbarsting, zei Ewert. .
Maar wat wetenschappers bij Pinatubo ontdekten door de emissies rechtstreeks te bestuderen, was dat “er veel meer zwavelgas in de atmosfeer werd uitgestoten dan kon worden verklaard ”Door kristallen te bestuderen, zei Ewert. Dit impliceerde dat de uitstoot van waterdamp en kooldioxide – de gassen die de uitstoot domineren – ook meer was dan wetenschappers hadden verwacht.
Vóór Pinatubo dachten wetenschappers dat gas dat niet kon worden opgelost in het magma ontsnapte via ventilatieopeningen naar het oppervlak. Maar maar liefst 17 megaton zwaveldioxide kwam vrij bij de explosie, gemeten met een satellietspectrometer.Dit impliceerde dat grote hoeveelheden gas zich konden ophopen als bellen en in de magmakamer zouden kunnen blijven, legde Newhall uit
Omdat dit overtollige gas een uitbarsting explosiever maakt, kan het zelfs zijn dat zon vrij gas nodig is voor een Pinatubo. -achtige uitbarsting, zei Newhall. Als er al een teveel aan vluchtige stoffen is, kunnen ze onmiddellijk uitzetten zodra de druk daalt, zonder enige vertraging door diffusie door de smelt.
Wetende dat magmas overtollig gas kunnen vasthouden, kan helpen bij het voorspellen, legde Newhall uit. Als een vulkaan bijvoorbeeld is aangesloten sinds de vorige uitbarsting, maar continu is opgeladen met vers magma en gas uit de diepte, kunnen wetenschappers de tijd tussen de uitbarstingen onderzoeken om te bepalen of de vulkaan voldoende overtollig gas heeft verzameld om het bijzonder explosief te maken.
Verlichting van details over atmosferische circulatie
De totale hoeveelheid zwaveldioxide die vrijkomt voor en tijdens de uitbarsting veroorzaakte het meest ingrijpende effect op de stratosfeer sinds Krakatau in 1883. De zwavelhoudende aerosolen die zich vormden van het zwaveldioxide cirkelde binnen 3 weken rond de aarde en bleef 3 jaar in de atmosfeer, en reflecteerde genoeg zonlicht om de hele planeet gedurende die tijd met een halve graad Celsius te koelen.
Echter, tijdens de volgende winter , Europa kende verrassend warme temperaturen. Deze opwarming in de winter was niet waargenomen na eerdere vulkaanuitbarstingen, zoals El Chichón in Mexico in 1982. Wat zou er aan de hand kunnen zijn?
Met behulp van atmosferische circulatiemodellen en computersimulaties om te bestuderen hoe Pinatubos zwavel-aerosolwolk rond de wereldbol, ontdekten wetenschappers dat zwavelhoudende aerosolen zonlicht naar buiten reflecteren terwijl ze warmte van onderaf absorberen, wat leidt tot afkoeling van de troposfeer terwijl de lagere stratosfeer wordt verwarmd, legt Alan Robock uit, een atmosferische wetenschapper aan de Rutgers University in New Brunswick, NJ.
Deze temperatuurgradiënt versterkte de Arctic Oscillation, een windpatroon dat rond het Noordpoolgebied cirkelt. In zijn sterke fase trekt de Arctic Oscillation warme lucht uit de oceaan, verwarmt Noord-Europa en verschuift naar het noorden de mondiale jetstream – de rivier van wind die rond de aardbol stroomt.
De verschoven jetstream toegestaan warme winden die tijdens de winter over het noordelijk halfrond stromen, zei Robock. Omdat de straalstroom als een golf stroomt, terwijl Europa warme lucht uit het zuiden ontving, ontving het Midden-Oosten koudere lucht uit het noorden, waardoor de ergste sneeuwstorm naar Jeruzalem kwam in 40 jaar.
“Ten tijde van de uitbarsting van Pinatubo wist niemand van de winteropwarming”, zei Robock. Gewapend met vooruitgang in het modelleren, plus de sterk gecontroleerde atmosferische effecten van de uitbarsting van Pinatubo, zijn atmosferische wetenschappers beter voorbereid om de wereldwijde effecten van de volgende grote uitbarsting te voorspellen, voegde Robock toe.
Een versterkte zaak dat mensen opwarming van de aarde veroorzaken
De uitbarsting hielp wetenschappers definitief te verklaren dat de menselijke uitstoot van broeikasgassen de oorzaak is van ten minste de afgelopen 60-70 jaar van opwarming.
Wetenschappers volgden zwavel-aerosolen afkomstig van de uitbarsting van Pinatubo als ze reisden de wereld rond. Gedurende twee jaar na de explosie koelden de oppervlaktetemperaturen af, zoals voorspeld door klimaatmodellen die Pinatubos injecties in de atmosfeer omvatten. De temperaturen gingen weer omhoog toen de afkoelende aerosolen uit de atmosfeer vielen.
Pinatubo diende in zekere zin als een natuurlijk klimaatexperiment om modellen te testen en te kalibreren. Wetenschappers hebben waargenomen vulkanische emissies in klimaatveranderingsmodellen gestopt met en zonder antropogene emissies van broeikasgassen. In de simulaties die alleen vulkaanuitbarstingen omvatten, hebben wetenschappers de afgelopen 60-70 jaar van constante opwarming niet gezien, legde Robock uit.
Deze waarneming hielp klimaatwetenschappers om hun modellen verder aan te scherpen, wat bevestigt dat mensen – en de ongekende hoeveelheden broeikasgassen die ze elk jaar in de atmosfeer pompen – zijn verantwoordelijk voor het opwarmende klimaat. Het Intergovernmental Panel on Climate Change was in staat om deze nieuw aangescherpte modellen te gebruiken om de toekenning van klimaatverandering aan menselijke activiteiten verder te ondersteunen.
Meer gewicht aan argumenten tegen geo-engineering
Sommige wetenschappers hebben gesuggereerd het hacken van onze eigen atmosfeer om de effecten van klimaatverandering tegen te gaan, maar de uitbarsting van Pinatubo deed grote bezorgdheid rijzen over de vraag of dergelijke directe manipulatie kon worden gecontroleerd. Bekend als “geo-engineering”, zou een van deze methoden het injecteren van zwaveldioxide-deeltjes in de atmosfeer inhouden, net zoals bij een vulkaanuitbarsting.
Robock en andere wetenschappers zijn het erover eens dat dit soort injectie negatieve gevolgen zou hebben.Een gevolg hiervan is de vernietiging van de ozonlaag in de atmosfeer, waardoor wordt voorkomen dat gevaarlijke ultraviolette straling de aarde raakt.
Wolken van zwavelzuurdeeltjes – ontstaan wanneer zwaveldioxide dat pas in de stratosfeer wordt geïnjecteerd en water – vormen oppervlakken waarop ozon – er vinden vernietigende chemische reacties plaats. In de 2 jaar na de uitbarsting versnelde de vernietiging van de atmosferische ozon, en het ozongat boven het zuidelijk halfrond nam toe tot een “ongekende omvang”.
Robock zei dat om de opwarming van de aarde te stoppen, mensen zouden moeten injecteren 100 miljoen ton zwaveldioxide in de atmosfeer per jaar – dat komt neer op ongeveer vijf Pinatubo-uitbarstingen per jaar. Wetenschappers zijn het er over het algemeen over eens dat de gevolgen van geo-engineering te riskant zijn om te proberen. Het zou veiliger en praktischer zijn om de uitstoot van kooldioxide te verminderen en ” fossiele brandstoffen in de grond houden, “zei Robock.
Pinatubos nalatenschap
In 1996 schreven wetenschappers van USGS en PHILVOLCS deze ontnuchterende herinnering aan hoe, als de factoren anders waren geweest, de ramp misschien niet was afgewend op de berg Pinatubo: “Achteraf gezien hadden we ons minder zorgen moeten maken over het overdrijven van het gevaar en meer bezorgd moeten zijn over de te snelle voorbereidingen voor evacuaties. Pinatubo haalde ons bijna in.”
De berg Pinatubo staat voorlopig relatief stil, zon 300 meter korter dan voordat hij 25 jaar geleden ontplofte. Wat zou de komende 25 jaar naar Pinatubo kunnen brengen? De tijd zal het leren.
– JoAnna Wendel, stafschrijver en Mohi Kumar, editor voor wetenschappelijke inhoud, Eos.org