Супервулкан Тоба 74 тысячи лет назад навредил обитателям тропиков разрушением озонового слоя

О результатах исследования сообщает статья в журнале Communications Earth & Environment.

Расположенный на севере острова Суматра вулкан Тоба входит в состав Зондской дуги, образованной субдукцией Индо-Австралийской тектонической плиты под южный край плиты Сунда. Погружающаяся океаническая литосфера несет в своем составе много гидратированных осадков, и при ее разрушении на глубине около 150 километров высвобождается большое количество воды. В то же время хорошо развитый слой континентальной коры на плите Сунда (в районе Тоба ее мощность достигает 38 километров) препятствует выходу магмы на поверхность и приводит к образованию обширного магматического очага. Его содержимое обогащено летучими (вода) и кислыми (кремнезем, поступающий за счет частичного плавления пород подошвы континентального слоя) компонентами, поэтому опорожнение этого магматического очага происходит путем периодических мощных взрывных извержений. В одной из таких точек и сформировался вулкан Тоба.

Ныне Тоба представляет собой огромную, частично заполненную озером кальдеру площадью 1775 квадратных километров. Она образовалась в результате серии эруптивных извержений, последнее из которых, случившееся приблизительно 74000 лет назад, считается крупнейшим вулканическим событием плейстоцена. Объем продуктов извержения составил не менее 2,8 тысяч кубических километров, из которых 800 кубических километров выпало в виде пепла. Пепел Тоба обнаружен в Южной Азии (В Индии мощность его слоя достигает шести метров), в отложениях Южно-Китайского и Аравийского морей и Индийского океана и даже в Восточной Африке. Количество диоксида серы SO2, выброшенного в атмосферу, предположительно было в сто раз выше, чем при извержении филиппинского вулкана Пинатубо в 1991 году.

С извержением Тоба ученые связывают наступление вулканической зимы — общего снижения температуры, вызванного экранирующим эффектом от выброшенных в стратосферу частиц пепла и сернистого газа. Согласно одной из гипотез, опирающейся на данные изотопного анализа ледяных кернов из Гренландии, его воздействие на глобальный климат было настолько сильным, что спровоцировало очередное похолодание в рамках последней ледниковой эпохи. Однако оценки величины похолодания сильно расходятся: ряд исследователей полагают, что температура на третий год после извержения могла снизиться не более чем на один градус, другие ученые допускают, что ее падение составило от трех до пяти градусов. Высказывалось даже предположение об экстремальном похолодании на 8–17 градусов, повлекшем серьезные последствия для земной биосферы. Одним из таких последствий, по мнению исследователей, могло стать критическое уменьшение популяции Homo sapiens, вызвавшее сокращение генофонда, известное как «эффект бутылочного горлышка».

Однако после обнаружения микроскопического слоя тефры вулкана Тоба в донных отложениях озера Ньяса (Малави) в Восточной Африке возникли сомнения в глобальном характере влияния Тоба на биосферу в целом и на человеческую популяцию в частности. Непосредственно над слоем частиц пепла ученые не зафиксировали изменений ни в составе органических осадков, ни в количестве серы и пришли к выводу, что извержение практически не отразилось на экологической обстановке в Африке, а значит, и не повлияло на генетическую историю человечества.

Расчетная модель содержания озона в атмосферном столбе (шкала справа ― в единицах Добсона). a: в отсутствие вулканических выбросов; b: с учетом предполагаемого выброса вулкана Тоба; c: изменение, вызванное извержением вулкана. Белая пунктирная линия маркирует состояние озонового слоя над Антарктидой; шкала справа ― аномалия содержания озона в процентах

Sergey Osipov et al. / Communications Earth & Environment, 2021

Группа исследователей из Германии, Саудовской Аравии и США во главе с Сергеем Осиповым (Sergey Osipov) из Института химии Общества Макса Планка в Майнце поставила задачей установить, какое воздействие оказали вулканические продукты Тоба на состояние озонового слоя земной стратосферы. Озон образуется главным образом в тропиках в результате фотолиза двухатомного кислорода ультрафиолетовым излучением Солнца с длинами волн менее 240 нанометров, а распадается большей частью в полярных регионах при поглощении лучей с длинами волн от 200 до 315 нанометров. Это перемещение подчиняется меридиональной зимней циркуляции Брюера-Добсона. Благодаря образованию и распаду молекул озона в нижнем слое стратосферы блокируется наиболее жесткая и биологически опасная часть солнечного ультрафиолета. Однако рассеянные в стратосфере продукты вулканизма — частицы пепла, сернистый газ и производные от него аэрозоли нарушают озон-кислородный цикл. Влияние выбрасываемых при извержении галогенов в исследовании не учитывалось.

Расчетная модель содержания диоксида серы в атмосферном столбе (шкала справа ― в единицах Добсона)

Sergey Osipov et al. / Communications Earth & Environment, 2021

Опираясь на химико-климатическую модель атмосферы ModelE, разработанную в Институте космических исследований имени Годдарда, и на оценку величины выброса диоксида серы, на два порядка превышающую поступление этого газа при извержении Пинатубо, ученые смоделировали его воздействие на атмосферный озон. Оно изменяется с течением времени в зависимости от того, какая доля SO2 окислилась и образовала рассеивающий излучение сульфатный аэрозоль. Меридиональное распространение компонентов вулканического шлейфа происходит согласно циркуляции Брюера-Добсона — от экваториальной области, где он образовался, к высоким широтам. Из-за асимметрии в распределении суши эта циркуляция действует сильнее в Северном полушарии, поэтому здесь последствия извержения должны проявиться в большей мере.

Расчетная модель средней величины аэрозольной оптической толщины после извержения Тоба. Степень асимметрии полушарий зависит от остающегося неизвестным времени года извержения

Sergey Osipov et al. / Communications Earth & Environment, 2021

Диоксид серы, подобно озону, сильно поглощает ультрафиолет, причем спектры поглощения обоих газов имеют пики в одной и той же части диапазона — на длинах волн от 190 до 220 нанометров. Поэтому он блокирует фотолиз озона. С другой стороны, окисление двуокиси серы приводит к появлению в шлейфе мелкодисперсного сернокислотного аэрозоля с высоким значением оптической толщины, который отражает часть солнечной радиации в космос и препятствует регенерации озона. Моделирование показало, что пиковый уровень истощения озонового слоя (в среднем на 20 процентов, а в экваториальных широтах — вдвое, с 250 до 125 единиц Добсона) наступил через полгода после извержения Тоба. Но вулканический шлейф, экранируя поверхность Земли от ультрафиолета, смягчил негативные для биосферы последствия нарушения озон-кислородного цикла, благодаря чему УФ-индекс в тропиках в начальный период существования шлейфа не поднимался выше 12.

Ситуация изменилась, когда стратосферная циркуляция сместила шлейф в более высокие широты, особенно в Северном полушарии. Уже через девять месяцев после извержения большая часть диоксида серы в облаке преобразовалась в аэрозоль, блокирующий поступление солнечного света, что понизило температуры в средних широтах, и без того охваченных похолоданием ледниковой эпохи. Таким образом, моделирование объяснило отсутствие следов падения температуры в экваториальном регионе, в кернах из озера Ньяса, — здесь похолодания не произошло. Однако недостаток озона в тропиках должен был привести к кратковременному, но экстремальному скачку УФ-индекса до значения 28. В отложениях глубоководного озера следы этого события могли не сохраниться.

Воздействие вулканического шлейфа Тоба на образование и разрушение озона. a: вертикальные профили содержания озона; b: соотношение темпов фотолиза кислорода и озона в вулканическом шлейфе (заштрихованная область – начальное облако диоксида серы)

Sergey Osipov et al. / Communications Earth & Environment, 2021

Содержание стратосферного озона в тропическом регионе в зависимости от силы вулканического события (кратна силе извержения Пинатубо)

Sergey Osipov et al. / Communications Earth & Environment, 2021

Состояние озонового слоя над низкими широтами нормализовалось приблизительно через три года. За это время от воздействия жесткого ультрафиолета не могли не пострадать населяющие тропический регион виды, в том числе и ранние сапиенсы. Усиление канцерогенеза, подавление иммунной системы и общее повреждение ДНК должны были привести к значительной убыли численности человеческих популяций, а глазные заболевания и ожоги кожи в сочетании с нехваткой пищи — еще более осложнить выживание. Авторы исследования уверены, что значение такого фактора, как катастрофическое извержение Тоба, нельзя недооценивать при построении моделей человеческой эволюции. Для более детального выяснения его последствий необходимы дальнейшие исследования.