Welche Ursache hat der schnelle Ascherückgang nach der Hunga-Eruption 2022?

Wasserdampf- und Meersalzemissionen sowie die Aerosoldynamik beschleunigen das Wachstum und die Entfernung von Partikeln in der Hunga-Fahne 2022

Der rekordverdächtige Ausbruch des unterseeischen Hunga-Vulkans im Januar 2022 emittierte bis zu 150 Tg Wasserdampf in die Stratosphäre (Millan et al., 2022), wobei die Wasserfahne bis zu 58 km hoch stieg (Carr et al., 2022). Dies führte zu einer außergewöhnlichen Hydratisierung der Stratosphäre (~ 10 % Anstieg des stratosphärischen Wasserdampfgehalts) und beschleunigte auch die Oxidation von SO2 zu H2SO4 und die Bildung von Sulfataerosolen (Zhu et al., 2022). Ein weiterer erstaunlicher Aspekt dieses Ausbruchs war der unerwartet schnelle Rückgang der Vulkanasche: Trotz des Ausmaßes der Eruption wurden nur geringe Mengen feiner Asche festgestellt, die innerhalb von ein bis zwei Tagen verschwunden waren (Legras et al., 2022).

Um diese vielfältigen, aber miteinander verknüpften Zusammenhänge zu untersuchen, führen Forschende am IMKTRO, KIT numerische Simulationen mit dem ICOsahedral Nonhydrostatic model with Aerosols and Reactive Tracers (ICON-ART) durch. Sie untersuchen das Zusammenspiel von emittiertem Wasserdampf und verschiedenen Spezies bei der Aschealterung, dem Wachstum und der anschließenden Beseitigung über die folgenden Mechanismen (Abbildung 1):

Abb. 1: Aerosolprozesse in Vulkanfahnen
  1. beschleunigte Oxidation von SO2 und Sulfatbildung, gefolgt von Kondensation/Koagulation mit Asche 
  2. Koagulation mit Meersalz und verstärkte Wasseraufnahme aufgrund der stark hygroskopischen Eigenschaften des Meersalzes
  3. Feuchte Aggregation von Partikeln während des Aufstiegs der Vulkanfahne
  4. Aktivierung von Partikeln zu großen Hydrometeoren (Wolkentröpfchen, Regen, Eis, Schnee)

Der erste Mechanismus wird in der Studie von Bruckert et al. (in Review) untersucht. Sie zeigten, dass die Aschealterung aufgrund einer schnelleren SO2-Oxidation und Sulfatproduktion in Gegenwart von emittiertem Wasserdampf stärker ist (Abbildung 2). Durch den Vergleich von beobachteten und modellierten SO2- und Sulfatmassen wiesen sie außerdem nach, dass die tatsächlichen SO2-Emissionen etwa dreimal so hoch waren wie die ursprünglich geschätzten 0,4 Tg. Die Berücksichtigung der Wasserdampfemission und ihre Rolle in der Atmosphärenchemie ist für die genaue Reproduktion der beobachteten SO2- und Sulfatmassen unerlässlich. Obwohl das Modell die Entwicklung von SO2- und Sulfataerosolen gut wiedergibt, können die Emissionen und das Wachstum durch die Aerosoldynamik, die in dieser Studie berücksichtigt wurden, allein nicht den schnellen Ascherückgang erklären, wie er auf Satellitenbildern zu sehen war.

Diese Ergebnisse dienten als Grundlage für eine laufende Arbeit, in der die verbleibenden drei Mechanismen untersucht werden. Zu diesem Zweck führten Chopra et al. (in prep.) Experimente mit ICON-ART durch, bei denen sie neben Asche, SO2 und Wasserdampf auch Meersalz emittierten. Vorläufige Ergebnisse zeigen eine noch stärkere Alterung der Asche in Anwesenheit von Wasserdampf und Meersalz als in Bruckert et al. (in Review), also ein verstärktes Wachstum der Partikel. Dies unterstreicht auch die Bedeutung der Einbeziehung von Meersalzemissionen zusammen mit Asche und SO2 in Modellierungsstudien und die daraus resultierenden Auswirkungen auf die aerosoldynamischen Prozesse.

Abb. 2: SO2 Masse (a), Sulfatmasse (b) und Aschemasse (durchgezogene Linien und linke Achse, c) und Anteil gealterter Aerosole (gestrichelte Linien und rechte Achse, c) für ein Experiment mit (schwarze Linien) und ohne (orange Linien) Berücksichtigung von Wasserdampf in der Chemie in der ersten Woche nach der Eruption.

Autoren: Simran Chopra and Julia Bruckert

Arbeitsgruppe: Aerosol- und Spurenstoffmodellierung

References:

Bruckert, J., Chopra, S., Siddans, R., Wedler, C., and Hoshyaripour, G. A.: Aerosol dynamic processes in the Hunga plume in January 2022: Does water vapor accelerate aerosol aging?, EGUsphere [preprint], https://doi.org/10.5194/egusphere-2024-4062, 2025.

Carr, J. L., Horváth, Á., Wu, D. L., & Friberg, M. D. (2022). Stereo plume height and motion retrievals for the record-setting Hunga Tonga-Hunga Ha'apai eruption of 15 January 2022. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL098131. https://doi.org/10.1029/2022GL098131

Legras, B., Duchamp, C., Sellitto, P., Podglajen, A., Carboni, E., Siddans, R., Grooß, J.-U., Khaykin, S., and Ploeger, F.: The evolution and dynamics of the Hunga Tonga–Hunga Ha'apai sulfate aerosol plume in the stratosphere, Atmos. Chem. Phys., 22, 14957–14970, https://doi.org/10.5194/acp-22-14957-2022, 2022

Millán, L., Santee, M. L., Lambert, A., Livesey, N. J., Werner, F., Schwartz, M. J., et al. (2022). The Hunga Tonga-Hunga Ha'apai Hydration of the Stratosphere. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL099381. https://doi.org/10.1029/2022GL099381

Proud, S. R., Prata, A. T., and Schmauß, S. (2022). The January 2022 eruption of Hunga Tonga-Hunga Ha’apai volcano reached the mesosphere. Science, 378(6619):554–557.

Zhu, Y., Bardeen, C.G., Tilmes, S. et al. Perturbations in stratospheric aerosol evolution due to the water-rich plume of the 2022 Hunga-Tonga eruption. Commun Earth Environ 3, 248 (2022). https://doi.org/10.1038/s43247-022-00580-w