Taller Virtual de Meteorología y Clima.
Volcanes
- Fundamento
- Diseño
- ¿Sabías que...?
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Objetivo del experimento
Con este experimento vamos a ilustrar que las partículas emitidas durante las erupciones volcánicas pueden ejercer una influencia importante en el clima, de signo contrario a la de los gases de efecto invernadero.Fundamento teórico
Cuando un volcán entra en erupción libera a la atmósfera grandes cantidades de gases y ceniza. En la nube volcánica uno de los gases más importantes es el dióxido de azufre (SO2), que en su ascenso puede combinarse con el vapor de agua, y así formar pequeñas gotas de agua, cristales de ácido sulfúrico y otros sulfatos. Estas partículas van a actuar como espejos reflejando de vuelta al espacio una parte de la radiación procedente del Sol (Figura 1), disminuyendo así la energía total que llega a la superficie terrestre. Por tanto, el efecto final sobre el clima es producir una bajada de la temperatura superficial.
No todos las erupciones, sin embargo, llegan a producir un impacto apreciable en el clima. Para que el enfriamiento sea prolongado y su efecto sea global, es necesario que la erupción sea lo suficientemente intensa para que la pluma de cenizas volcánicas penetre en la estratosfera (capa de la atmósfera situada entre los 12 y 50km de altitud aproximadamente). Una vez allí, las partículas pueden distribuirse globalmente gracias al efecto de la circulación estratosférica. En esta capa, además, las partículas de origen volcánico pueden permanecer durante varios años, prolongando así su impacto sobre la temperatura en superficie.
Para simular el efecto de los volcanes vamos a necesitar un equipamiento más avanzado que para el resto de los experimentos.
Material:
- Una urna (de metacrilato o cualquier otro material transparente) para representar nuestra atmósfera.
- Un flexo o lámpara para representar al Sol. Vamos a utilizarlo porque va a proporcionar una radiación constante (no sensible al paso de las nubes) y más intensa (por tanto más fácilmente detectable).
- Una célula fotovoltaica conectada a un amperímetro, para medir las variaciones de la intensidad de la luz.
- Una máquina de humo alimentada por un generador de corriente continua, para generar la “nube volcánica”.
Tanto la máquina de humo, como el líquido de humo necesario para que funcione pueden encontrarse en tiendas de maquetas y modelismo. A efectos decorativos se puede realizar una maqueta de volcán en papel maché.
Desarrollo del experimento:
Se conectan los distintos equipos entre sí como en la Figura 2 (célula fotovoltaica al amperímetro, y máquina de humo al generador de corriente) y se ponen unas pocas gotas de líquido de humo para que la máquina funcione. Una vez todo esté preparado, se cubre la máquina con la maqueta del volcán, tapándolo a continuación con la urna y dejando dentro también la célula fotovoltaica. De esta forma tendemos representado el sistema tierra-atmósfera.
Ahora prepararemos nuestro Sol, poniendo el flexo cerca de la urna y teniendo cuidado de que la luz incida perpendicularmente en la célula fotovoltaica. La lectura del amperímetro debe mostrar una intensidad más o menos constante. Es importante anotar el valor indicado, ya que este será el estado inicial de partida “sin volcán” que nos servirá de referencia.
A continuación encenderemos el generador de corriente, y veremos que casi inmediatamente el volcán entrará en “erupción”. Poco a poco, la urna se irá llenando del humo volcánico, y a medida que esto ocurre, podremos observar en el amperímetro que la intensidad marcada comenzará a bajar con respecto al valor de referencia.
Como el humo dentro de la urna va a estar continuamente en movimiento, la cantidad de partículas entre el flexo y la célula fotovoltaica va a ir variando, y por tanto dispersando más o menos energía según el momento. Esto va a producir que la intensidad registrada por el amperímetro no descienda de una forma uniforme. Aún así si que observaremos que en todo momento la presencia de las partículas de humo nos lleva a un estado de energía capturada menor al que teníamos en la ausencia de partículas volcánicas.
Aunque las partículas de humo en nuestro experimento no son las mismas que las emitidas durante las erupciones volcánicas, con este experimento hemos querido ilustrar que hay otros gases y sustancias, diferentes a los responsables del efecto invernadero, que pueden producir enfriamientos considerables en la superficie terrestre, reflejando parcialmente la energía proveniente del Sol.
- Ciertas partículas emitidas en algunos procesos industriales tienen un efecto parecido al de los aerosoles volcánicos. De hecho, durante los últimos años estas partículas han probablemente amortiguado el calentamiento debido a los gases de efecto invernadero.
- El año siguiente a la erupción del Tambora en 1815, la segunda más importante de los últimos 1300 años, suele conocerse como el año sin verano debido al gran enfriamiento que siguió a la erupción. Ese año, debido a la gran bajada de temperaturas y a las heladas durante primavera y verano una gran parte de las cosechas se perdieron, produciendo importantes hambrunas en todo el mundo.
- Las partículas en suspensión en el aire, como las procedentes de las erupciones volcánicas y de los procesos industriales y otras como el polvo proveniente de los desiertos o las sales liberadas a la atmósfera desde el mar, son un elemento imprescindible para la formación de gotas de agua, y por tanto de las nubes (Ver experimento de Precipitación y nubes).
With this experiment, we will illustrate how the particles emitted during the volcanic eruptions can exert an important influence on climate, which is of opposite sign to that associated to greenhouse gases.
Theoretical basis
During eruptions, volcanoes inject a great amount of gases and ashes to the atmosphere. One of the most important gases of the volcanic cloud is sulfur dioxide (SO2), which during its ascent can combine with water vapor and lead to the formation of small water droplets, crystals of sulfuric acid and other sulfates. These particles act as mirrors reflecting back to the space part or the solar radiation (Figure 1), thus reducing the total energy arriving to the earth’s surface. Consequently, the final effect on climate is reducing the surface temperature.
However not all the eruptions have a relevant impact on climate. To have a lasting cooling with global impact it is necessary that the plume of the volcanic ashes can penetrate into the atmosphere (atmospheric layer located between 12 and 50 km of height approximately). Once there the particles can distribute globally thanks to the stratospheric circulation. In this layer the volcanic particles can stay during several years, thus extending their impact on the surface temperature.
The equipment required to simulate the volcanoes effect is more advanced that that used in the other experiments.
Material:
• An urn (from methacrylate or any other transparent material) to represent the atmosphere.
• A lamp to represent the Sun. we will use it because it will produce constant (insensitive to clouds) and more intense (more easily detectable) radiation.
• A photovoltaic cell connected to an ammeter, to measure variations in light intensity.
• A smoke machine powered by a DC generator, to generate the “volcanic cloud”.
The smoke machine and the liquid smoke can be found in models and modeling stores. For decorative purposes you can make a ‘mache’ paper volcano model.
Development of the experiment:
Connect the different equipment according to Figure 2 (photovoltaic cell to ammeter and smoke machine to power generator). Then add a few drops of smoke liquid to start the smoke machine. When everything is ready, cover the machine with the volcano model and then with the urn, including the photovoltaic cell. In this way we will represent the earth-atmosphere system.
Now we will represent the Sun putting the lamp close to the urn and taking care that the light is perpendicular to the photovoltaic cell. The ammeter must show a constant reading. It is important to write this intensity value because this will be the initial ‘no-volcano’ state which we will use as reference.
Then we will switch the current generator, and almost immediately we will see that the volcano will "erupt". Gradually, the volcanic smoke will fill the urn, and, as this happens, we can see that the intensity marked in the ammeter will begin to fall relative to the reference value.
As smoke inside the urn will be constantly in motion, the amount of particles between the lamp and the photovoltaic cell will be changing, and thus dispersing more or less energy depending on the time. This will reduce the intensity recorded by the ammeter in a non-uniform way. However, we will observe that at all times the presence of smoke particles leads to an energy state lower than the reference value, corresponding to the absence of volcanic particles.
Although the smoke particles in our experiment are not the same as those emitted during volcanic eruptions, with this experiment we wanted to illustrate that there are other gases and substances, different from those responsible for the greenhouse effect, which can produce significant cooling at the earth’s surface, partly reflecting energy from the Sun.
Did you know...?
• Certain particles issued in some industrial processes have an effect similar to that from volcanic aerosols. In fact, in recent years these particles have probably dampened the warming due to greenhouse gases.
• The year after the eruption of Tambora in 1815, the second most important of the past 1300 years, is usually known as the ‘year without a summer’ due to the large cooling that followed the eruption. That year, due to the large drop in temperatures and frost during spring and summer a large part of the crops were lost, causing major famines worldwide.
• The particles suspended in the air, like those from volcanic eruptions and industrial processes and others such as dust from deserts or sea salt, are an essential element for the formation of water drops, and, therefore, of clouds (See experiment Precipitation and clouds).
Imágenes
