Ausbreitung und Alterung von Aerosolen nach der La Soufrière Eruption 2021

Vulkanausbrüche emittieren große Mengen an Asche und Schwefeldioxid in die Atmosphäre. Chemische und aerosoldynamische Prozesse führen zur Bildung von Sulfataerosolen und zur Alterung der Aschepartikel in der Vulkanfahne. Diese Prozesse können zu einer schnelleren Entfernung dieser Partikel von der Atmosphäre führen und die Wechselwirkung der Partikel mit der Strahlung verändern. Daher ist es notwendig, die Prozesse zur Bildung von Sulfat und gealterter Asche in Modelle einzubeziehen, um Ausbreitungsvorhersagen zu verbessern und die Auswirkungen großer Vulkanausbrüche auf das Klima vorherzusagen.

Als Fallstudie haben wir die Entwicklung der Aschewolke während des La Soufrière-Ausbruchs im April 2021 simuliert und unsere Ergebnisse mit Beobachtungsdaten verglichen. Der Vulkan La Soufrière befindet sich auf der Karibikinsel St. Vincent. Die Modellierung seiner letzten Eruption ist eine Herausforderung, da die Emission in mehr als 40 einzelnen Eruptionsphasen erfolgte. Der Zeitpunkt dieser Phasen und die Höhe der maximalen Emissionen müssen im Modell berücksichtigt werden, um einen Vergleich mit Beobachtungen in der Nähe der Emission zu ermöglichen. Der Ansatz zur Modellierung solch komplexer Emissionen wurde bereits vorgestellt [1]. Die Eruptionsphasen dauerten zwischen 10 Minuten und 1 Stunde, und sie erreichten Höhen zwischen 5,7 und 18,3 km über dem Schlot.

Abbildung 1 zeigt Radarreflexionssignale über Barbados (etwa 150 km östlich des Vulkans), die vom Barbados Cloud Observatory (BCO) [2] gemessen wurden, und modellierte Aschekonzentrationen. Die Verteilung der Asche in der Nähe des Vulkans wird stark von den Emissionen der einzelnen Eruptionsphasen bestimmt, was in den Beobachtungen und im Modell sichtbar ist. Die vertikal ausgerichteten Streifen entstehen, weil die Emissionen entlang eines vertikalen Profils erfolgen. Kleinere Windgeschwindigkeiten in geringeren Höhen führen zu einer leichten Neigung der Streifen. Die Diskrepanzen zwischen Modell und Beobachtungen zwischen 54 und 74 Stunden nach Simulationsbeginn sind darauf zurückzuführen, dass Regen die Asche im Gebiet um Barbados entfernt hat. Das Modell simulierte jedoch keinen Regen in dem Gebiet zwischen La Soufrière und Barbados.

Der Anteil sphärischer Partikel und die Einfachstreualbedo (engl. single scattering albedoSSA) aus dem Multiangle Imaging SpectroRadiometer (MISR) Research Aerosol (RA) Algorithmus geben Aufschluss über die Alterung und Zusammensetzung der Fahne. Während reine Aschepartikel in hohem Maße nicht-sphärisch sind, sind Sulfat- und gealterte Aschepartikel sphärisch. Darüber hinaus deutet ein hoher SSA-Wert auf einen erhöhten Anteil an Sulfat und Hydrometeoren in der Fahne hin. Im südlichen Teil der Aschewolke nimmt der Anteil der sphärischen Partikel mit zunehmender Entfernung vom Vulkan zu, da mehr Zeit für die Alterung zur Verfügung stand. Hier wurde eine gute Übereinstimmung zwischen Modell und Beobachtungen erzielt. Im nördlichen Teil der Fahne nimmt die SSA in Modell und Beobachtungen zu. Im Falle der modellierten Daten hängt diese Zunahme der SSA mit einer Abnahme des Durchmessers der Aschepartikel zusammen. Im Falle der Beobachtungen könnte dies auch mit der Menge an Hydrometeoren aus der dichten meteorologischen Wolke zusammenhängen, die im Bild rechts zu sehen ist.

Für weitere Einzelheiten zu dieser Arbeit verweisen wir auf unseren Artikel, der in JGR-Atmospheres veröffentlicht wurde [4].

[1] https://www.imk-tro.kit.edu/11476.php

[2] https://mpimet.mpg.de/en/barbadosstation1

[3] https://worldview.earthdata.nasa.gov/?t=2021-04-10-T09%3A12%3A58Z

[4] Bruckert, J., L. Hirsch, A. Horvath, R. A. Kahn, T. Kölling, L. O. Muser, C., Timmreck, H. Vogel, S. Wallis, G. A. Hoshyaripour, 2023: Dispersion and Aging of Volcanic Aerosols after the La Soufrière Eruption in April 2021, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, accepted