主要

大的火山爆发可以注入大量含硫气体喷射到平流层,生成硫酸气溶胶1。由此产生的气溶胶面纱扰乱地球的能源预算,诱导的季节性和区域性表面温度和降水异常,其严重程度与社会相结合的漏洞与历史农艺和牧场赤字的情况下,社会和政治动荡,瘟疫和迁移6。虽然地质记录构成的主要证据过去的火山活动,与年表根据放射性碳和其他辐射方法,极地冰芯可以说提供最全面的和可访问的照片气候上著名的火山活动通过硫沉积的编译时间序列2,4。特别注意在这样的记录是一个火山爆发的高硫扩散HMP(十二、十三世纪左右),从一个集群事件的1108 - 1110左右ce(ref。7),包括巨大的Samalas爆发1257左右ce(参考文献。8,9)。这些事件都与大量的冷却和生存危机7,9的综合效应,迫使被提出作为一个贡献者小冰河时期的开始5。

过去的约会从冰核火山事件提出了一些挑战由于大气传输的复杂性导致暂时和硫沉积空间变量10,不限制年龄模型11,12,13和不确定性在层数与累积率和沉积期后的流程3。另外一项挑战是对流层和平流层运输之间的歧视火山气溶胶,后者更表明气候强迫爆发4。硫同位素比值测量冰核可以帮助使这个区别,但是这种方法并没有被广泛应用,并不区分对流层和低平流层臭氧层(下图)气溶胶传输3,14。

罕见,通常视觉壮观大气光学现象,第一时间从火山灰的面纱在同温层,如太阳变暗,光圈或主教的戒指,特有的《暮光之城》的着色和黑暗的月全食,长期以来一直被视为值得记录的征兆。引用这种现象提供了独立的证据评价的时机和1500年时期火山活动的影响公元前到1000年ce(参考文献。2,15),1500 - 1880ce(参考文献。16,17),1880 - 2000ce(参考文献。18,19)。在这里,我们专注于过去的研究中值得注意的腔隙,也就是说,高熔点,并在欧亚引用来源月全食的颜色,因为它们是相对频繁,他们的出现正是从天文retro-calculation。我们独立代理火山灰面纱来自中世纪的月食记录和使用产生的时间序列,结合气候模型输出和夏季温度从树木年轮重建,提炼的ns1 - 2011(格陵兰岛)和WD2014(南极洲)专门年表,迄今为止所提供的主要约束HMP喷发的时机2,4。年表识别七HMP喷发,火山平流层的硫生成估计注射超过10 Tg (VSSI)。他们每个人跻身前16 VSSI过去2500年的事件(参考文献。2,4)。他们估计是1108年爆发ce(UE1;的问题代表身份不明的爆发;看到方法),1171ce(UE2), 1182年ce(UE3), 1230年ce(UE4), 1257年ce(Samalas), 1276年ce(UE5)和1286年ce(UE6)。我们认为这些事件13小HMP喷发和寻求确认或改进现有的爆发年估计和季节区分对流层和平流层气溶胶面纱。

日食推出平流层浊度

月亮的亮度在eclipse是高度敏感的在平流层气溶胶丰富。黑暗月全食表明高浊度,而红润的磁盘表明一个明确的平流层18,19。重建过去的平流层浊度在中世纪气候异常小冰河时代过渡,全面进行了复查史料的大型语料库(补充数据集S1)写十二和十三世纪,寻找可靠的月食的观察(图。1)。在中国和韩国,月食被官方天文学家和记录保存在源如天文著作和五行论文官方王朝的历史,而日本eclipse的观察中发现更多不同的著作如朝臣们的日记,记录或寺庙记录。在欧洲,年报和记录从修道院和城镇代表的主要来源。阿拉伯语的来源,月食观测经常发现在普遍的记载20.。

图1:表示月食在中世纪的手稿。
图1

一个,对世界末日的评论Liebana Beatus,修道院的圣多明哥de竖井布尔戈斯附近,西班牙,1090 - 1109ce。来源:英国图书馆委员会(添加。女士11695年,f108r)。之间的文本底部的迷你型,左边的黑圈代表一个日全食和右边的红色圆圈代表一个月全食,写着:“嗝索尔obscurabitur等乐观versa est luna”(“和太阳是模糊和月亮变成了血”)。血红色的黯然失色的月亮被视为一个可能的世界末日的迹象。中世纪月球掩星的描述通常遵循《启示录》,认为《圣经》提供了理由和灵感记录月食和色彩。b,13世纪的约翰·德·Sacrobosco月食。来源:纽约公共图书馆(De Sphaera2557年MssCol f112v)。c、传真的Meigetsuki(明月記)由藤原日记没有Teika(藤原定家)描述1229年11月2日的月全食ce。信贷:Meigetsuki4卷,517年,2000页。Reizei- - - - - -柯Shiguretei行骗。东京:朝日Shinbunsha。Teika提到这个活动两次。图中显示第一项:“[…]云的天空是自由的距离和月亮山出现在eclipse中,总一会儿,【光】的一个漆黑的夜晚。大约一小时后逐渐改善,熄灭后(在eclipse)尤其是发光”。第二项,四天后,月亮的不同寻常的色彩细节。在过去的几个世纪里,几部分Meigetsuki被割断,入口在1229年12月6日ce在是一个私人收藏吗49,50。

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根据最新的目录的月食21,2264(欧洲),59(中东)和64(东亚)月全食发生和将是可见的,如果天气允许的话,在1100年和1300年之间ce。共有180名欧洲、中东和199东亚帐户描述51岁,分别为7和61个独立的月全食。在欧洲,尽管12个人日食中描述只有一个幸存的来源,很多人都证实了在几个账户,16 1161年2月11日在eclipse中ce(补充数据集S1)。这一成功在欧洲发现的retro-calculated日食观测(80%;扩展的数据表1)是显著的,类似与后期的文档更丰富16,17(例如,82%,1665 - 1881ce)。它反映了当代扩散和地理跨度欧洲修道院的社区20.全面提高了晴空的机会观察,和一些编年史作家注意天体现象23。观察太阳、月亮或星星被要求计算小时祈祷,并不是所有的寺庙拥有水时钟计时或星盘24,25,26。准确的观测月球的年龄也是重要的正确识别复活节满月,作为主要的参考点的复活节和所有其他历朝历代的礼仪25,27。东亚有时包含预测而不是观察记录28出于这个原因,日食记录的观察人士的比例在中国,韩国和日本没有计算。

黑暗日食遵循实质HMP喷发

西方和东方基督教的资料一起提供有关月亮的颜色和亮度信息36日食(无花果。2)。这种关注亚洲记录的亮度基本上是一片空白20.,29日中,只有一个帐户描述颜色。引用“血红的月亮”在西方和东方基督教来源可能是明智的文本,如《启示录》的约翰,血月,随着地震和日食,预示着“末世”(启示录6:12-17;无花果。1)。月食颜色蕴含着特殊意义基督教观察员和常常被视为凶兆,预示灾难26,30.,31日《圣经》的影响,强调在自然现象在中世纪的感知32。这并不意味着月食的物理原因是未知的中世纪编年史作家31日。古代巴比伦、希腊和后来的穆斯林天文学家不仅理解eclipse机制,能够预测月球掩星20.,这些知识是最终传播到中世纪的欧洲,明显在当代天文学论文(例如,De Lunationibus,1112年ce,德橡胶袋,1120 - 1121ceWalcher莫尔文的33;De Sphaera大约在1230年拍摄,ce约翰内斯·德Sacrobosco34;无花果。1 b)。自然和超自然的解释在中世纪月食共存31日几乎完全系列的,支撑经济复苏的月食着色跨越两个世纪(无花果。2)。

图2:平流层浊度来源于月全食颜色和non-sea-salt硫从极地冰芯记录。
图2

一个月全食描述检索来自欧洲、中东和东亚历史来源从1100年到1300年ce(补充数据集S1Danjon规模(右),额定y轴),转换为等价的全球平均SAOD550年(SAOD 550海里;左y轴)。b从格陵兰岛、每月解决non-sea-salt硫浓度楝- 2011 s1(蓝线)和南极洲WDC06A(灰色线)冰核2。

源数据

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我们认为每个观察到eclipse的色彩和亮度Danjon规模35,量化肉眼月球亮度。它的范围从l= 0(很黑)l= 4(非常聪明的铜红或橙色eclipse)。37个月全食的亮度记录在欧亚的来源,只有六个评价l= 0,强调这种观察的稀有和意义(无花果。2和补充数据集S1)。这些事件发生在1110年5月5 - 6的晚上ce,1172年1月12 - 13日ce1229年12月,2 - 3ce,1258年5月18日至19日ce,1258年11月12 - 13日ce和1276年11月22日至23日ce。所有证词都在补充数据集S1,每个描述强调几乎完全和长期失踪的月球磁盘。最杰出的账户之一就是从日本来源和检索属于1229年11月2日的月全食ce。尽管亚洲来源很少细节颜色20.,29日,Meigetsuki(明月記,明月的记录)写的藤原没有Teika(藤原定家,1162 - 1241ce报告一个极其黑暗的月食,尽管天气晴朗。的Meigetsuki指出,月亮的颜色被认为是如此不寻常,天文学家对外观表示担心:“关于最近的月全食,虽然在以前的场合有整体,老人从来没有见过像这一次,与月亮的磁盘不可见的位置,就像它在eclipse已经消失了。此外,持续时间很长,变化是极端。这是真正的恐惧。事实上,在七十年我从未听说过或见过(这样的事);官方的天文学家们说它非常地[…]”(无花果。1 c和补充数据集S1)。

所有的黑暗(l= 0)月球以1110年5月ce,1172年1月ce,1229年12月ce1258年5月,ce1258年11月,ce1276年11月,ce——当代五个最大的七个HMP火山硫酸信号记录在极地冰核(UE1、UE2 UE4, Samalas UE5;无花果。2 b),强烈建议黯然失色的月亮的黑暗与火山气溶胶在平流层的存在。这个发现让先前的工作,发现自1600年以来都很黑暗的月全食ce随后大量的火山喷发16,17,18,19,36(扩展数据表2)。剩下的两个最高的七HMP喷发,1182年左右(UE3)和1286年ce(UE6),红色的描述(l= 3 - 4)月全食指向低平流层浊度在1179年8月,1182年12月和1287年10月ce。

HMP喷发的时间

我们限制HMP爆发的时机通过开发相结合的四个步骤的过程从我们的eclipse记录证据,全球气溶胶模拟,现代卫星观测和树木年轮重建方法和扩展数据图。1)。首先,月食报道的出现在历史档案被评为Danjon规模和转换为平流层气溶胶光学深度(SAOD)参后。16,17,18,19,这表明,46个多人注意到月食在1880 - 1888之间ce和1960 - 2001ce黑暗总月食(l= 0)仅发生在SAOD超过0.1。接下来,利用1883年喀拉喀托火山观测和1991年皮火山喷发(从佐藤/ GISS和GloSSAC v2数据集)37,38,SAOD模拟39(从eVolv2k数据集UE1 UE6和大约1257年ceSamalas和1815ce坦博拉火山喷发)和IPSL-CM5A-LR40气候模型输出(Samalas和坦博拉火山),我们评估了post-eruptive平流层浊度升高,持续时间,SAOD≥0.1。这表明月全食是最可能观察到黑暗爆发后3至20个月。因此,我们假设,一个黑暗的观察月食,喷发负责事先发生20至3个月。这种假设是证实了如果我们考虑七个最大VSSI事件自1600年以来,这是所有黑暗的月食9之间(1912紧随其后ce卡特迈号,1982ceEl Chichon)、14 (1815ce1883年坦博拉火山ce喀拉喀托火山),18 (1991ce皮)和20 (1600ceHuaynaputina)个月后(扩展数据表2)。1963年的情况ceAgung爆发提供了进一步证实我们的方法,因为这三个月食发生10、15和21个月后爆发,只有最后我们3-20-month窗外(下跌)没有评价l= 0 Danjon规模(扩展数据表2)。然后,提供进一步限制每个HMP爆发的时机,我们评估独立于北半球以年轮为夏季温度重建post-volcanic气候响应(Sch2015 (ref。41),N-TREND2015 (ref。42),NVOLC v2 (ref。7))。

采取UE2(无花果。3)为例,结合的黑暗月食日期1172年1月ceeVolv2k,佐藤/ GISS和GloSSAC v2的数据集,我们发现高非常高概率事件发生在1170年7月和1171年10月ce(无花果。3 b)。冷却在Sch2015和峰值NVOLC v2 1172年夏天ce降低了火山爆发的可能性发生在1170年夏季和秋季1171ce(无花果。3 c);我们因此托架爆发日期在1171年5月和8月ce(无花果。3 d)。我们同样限制可能的时间窗口的其他大型HMP北半球冬季1108/1109事件ce(UE1;扩展的数据图。2),北半球1229春夏ce(UE4)和北半球1257春夏ceSamalas(无花果。3 d)。这精致的时机Samalas喷发是一致的等厚的火山灰落在印尼8指着一个旱季喷发(5月至10月间)和计数器1256一个论点ce爆发日期43。UE5,我们找一个时间窗口1275年9月至1276年7月ce(扩展数据图。2)。进一步的约束是不可能在这种情况下明显夏季冷却以年轮为温度重建并不明显(扩展数据图。2)。

图3:约束的时机HMP(1100 - 1300年ce)火山喷发。
图3

一个,停留时间的火山平流层气溶胶和时间窗口SAOD超过0.1。气溶胶的停留时间是基于全球平均SAOD550年时间序列的佐藤/戈达德太空研究所37和GloSSAC v2 (ref。38)数据集(1883年ce喀拉喀托火山和1991ce皮火山喷发)和伊娃迫使发生器模拟4,39(UE2 UE4和1257年ceSamalas喷发)和IPSL-CM5A-LR模型40(Samalas喷发)。发生概率高熔点喷发的基于暗月食的时间日期(b)和树木年轮记录7,41,42(c)。d、集成b和c为UE2估计最可能的时间窗口,UE4 Samalas喷发。

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平流层和对流层气溶胶?

平流层气溶胶深刻影响黯然失色的月亮的亮度和颜色通过减少阳光的传播到地球的本影18,19。这里我们使用月食颜色区分对流层和平流层气溶胶面纱(见方法)。黑暗月食UE1后观察,UE2 UE4, Samalas和UE5表明平流层气溶胶面纱(无花果。4),与Δ一致33从穹顶C S同位素记录,南极洲3。尽管UE3(大约1182年ce)注册第二个最大的北半球温带喷发的最后一年专门的硫酸盐沉积4(仅次于拉基1783 - 1784ce),1182年12月11日的红色月食ce(无花果。2)分相对较低平流层气溶胶负担,虽然树木年轮重建显示有限的冷却(补充数据集S2)。进一步考虑eclipse的颜色,结合以年轮为夏季温度重建,表明四HMP喷发与小VSSI大约在1127年,1210年、1222年和1262年ce、硫酸盐气溶胶大多局限于对流层和气候的影响是有限的(图。4和补充数据集S2)。

图4:修订爆炸性火山活动年表十二和十三世纪。
图4

垂直酒吧是基于eVolv2k火山迫使重建4并指出VSSI的大小。使用月全食颜色(红色和黑色点)和Δ33S同位素记录3,我们区分平流层对流层(红酒吧)和(蓝色酒吧)尘埃面纱。灰色酒吧显示不确定的事件。广场、圆圈和三角形指低纬度,分别extratopical北半球和南半球温带喷发2。

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UE6保持神秘的性质和时间(无花果。4)。硫酸双相沉积分布观察到1286左右ce,这意味着热带喷发,而硫同位素分析表明,南极相关沉积是平流层20.。然而,1287年10月22日的红色月食ce(无花果。2),三个独立的记录中描述(补充数据集S1)从英国和意大利,排除了大量的北半球平流层气溶胶存在。这种明显的差异可能反映了1285年末或1286年初ce火山喷发,因此1287年10月被过早变黑ce月食。无论如何,年轮代理不表现出实质性的北半球冷却期间1280 - 1290ce气候的影响,表明有限UE6(补充数据集S2)。

影响

我们的识别标记平流层尘埃面纱在1110年,1172年,1229年、1258年和1276年ce用当代的观察黑暗月全食印证了专门的一般精度修正年表对格陵兰岛(ns1 - 2011)和南极洲(WD2014),而添加精度HMP喷发的时间框架。鉴于专门年表固有的不确定性,我们的数据集的精确日期为黑暗的月全食提供了一个新的,可靠的和独立的套房实足领带点可以补充标记536岁,774/5,939年,993/4,1258年、1601年和1816年ce有助于未来发展年表。我们的研究结果还表明,其他五个事件,可能与tropospheric-only气溶胶面纱,对气候影响有限。

但是,没有一个单一的来源或方法可以提供完整的时间控制,我们的eclipse数据(见也有限制方法)。月食是地理上的可见性,从气象学角度看受限;账户不能使用部分和界限不明的日食,减少可用的记录;只有评论有关月亮的颜色。我们这里有这样发达multiproxy方法使用不同来源和方法反映或模型的不同方面volcano-climate系统,每个提供互补约束爆发时机。其中包括专门硫酸盐沉积资料、气溶胶模型模拟和古气候代理,以及我们的eclipse的观察。进一步发展等综合方法将铺平道路更精细的时间分辨率,特别是作为平流层气溶胶形成的表象,进化和持续时间在气候模型和古气候记录的决议继续改善(ref。44;看到方法)。

更好的约束(理想情况下sub-annual)历史爆炸性火山喷发的时机至关重要因为气候上重要的因素包括气溶胶分布、高度、大小和辐射强迫都影响平流层环流季节变化45,46。身份不明的喷发,气候模型通常使用名义爆发日期(例如,4月1日在社区地球系统模型,在eVolv2k) 1月1日39,47并假设平流层气溶胶存在,偏压分布、大小和持久性的建模post-eruption热hydroclimatic异常,可能导致持久model-proxy差异45,48。因此我们的研究结果为下一代提供改进的参数化社区地球系统模型HMP爆发的影响的调查。我们希望我们的新数据集将有助于告知自己的小冰河时期的开始。

方法

描述twelfth-thirteenth-century爆发调查

来自格陵兰岛和南极洲的专门记录显示9个低纬度的发生喷发过时,根据ns1 - 2011和WD2014时间表2,4,1108、1127、1171、1191、1230、1257、1260、1276和1286ce7北半球温带事件(1115、1137、1182、1200、1210、1222和1262ce,被沉积信号仅在格陵兰岛)和四个南半球温带事件(1118年、1180年、1236年和1269年ce、被沉积在南极洲信号只在十二、十三世纪)。这一时期因此代表一个最猛烈地摄动的过去2500年的周期。最大的火山eruptions-with VSSI > 10 Tg在裁判。4——UE1 (1108ce),UE2 (1171ce),UE3 (1182ce),UE4 (1230ce),Samalas(大约1257年ce)爆发8UE5 (1276ce),UE6 (1286ce)和排名第七(19.2 VSSI, Tg), 10日(18.1 Tg年代),16 (10.1 Tg年代),4 (23.8 Tg年代),1 (59.4 Tg)、15日(11.5 Tg年代),13日(15.1 Tg)最大的火山事件硫酸盐沉积的最后一年。除了大约1257年ce事件,归因于Samalas印尼8,这些火山喷发的来源仍然不明。尽管1108年的ce硫酸飙升最初是由于热带火山的喷发2,最近的一项评估专门记录加上史料表明,至少有两个喷发发生在1108年和1110年之间ce注册在观察到极地硫酸盐沉积时,一个在北半球extratropics,另一个在热带地区7。

调查的历史来源和月食数据库的发展

欧洲和中东月食的观察

我们广泛的重新审视了数以百计的年报和记录,用十二、十三世纪写的ce,寻找对月食的引用。欧洲、当代来源大多是可以编译的中世纪的文本编辑的系列(1)Monumenta Germaniae Historica,(2)Rerum Britannicarum中指Ævi,(3)Recueil des historiens des高卢et de la法国和(4)Rerum Italicarum Scriptores。描述或观测月食源自欧洲,也就是说,奥地利、捷克、英国、法国、德国、冰岛、意大利、瑞典和瑞士。在一些情况下,月球遮蔽被观察到在中东基督徒参与十字军东征。这些记录被发现Recueil des historiens croisades、编辑和出版于十九世纪。参考的资源大部分是由僧侣或神职人员,在较小程度上,通过城市的门外汉。几乎都是由在拉丁语中,尽管偶尔使用方言。此外,我们包括观察从乌克兰和俄罗斯的检索记录在我们的数据库中51。我们还研究了观测月食记录在阿拉伯语记录基于现有的编译52。然而,由于这些来源包含在月球黯然失色的颜色信息,我们没有进一步分析。

东亚月食的观察

在中国和韩国,主要发现在eclipse记录论述天文学,论文在日历上和论述五个元素官方王朝的历史20.。对中国来说,我们进行了复查歌史(宋史),官方的宋代(960年至1279年的历史ce);的金施(金史),官方的金王朝(1115 - 1234年的历史ce);和元史(元史)的官方历史上元朝(1261年到1367年ce)。在韩国,我们调查了Goryeosa(高麗史)了(936年至1392年的历史ce)。在日本,天文记录中发现各种各样的作品从私下和正式编制历史记录日记的朝臣和寺庙20.。我们因此关注基准的月食观察编译工作,日本Tenmon Shiryo(日本天文史料)53由日本的天文学家,神田。这个工作列表太阳能和月食,彗星和极光并提供原始文本。最相关的月食源自的描述Meigetsuki(明月記,1180 - 1235ce;藤原的日记没有Teika)和Azuma Kagami(吾妻鏡,1180 - 1266ce;镜子的东镰仓幕府的时间表)。中国来源都写在中国古典,而日本和韩国的来源都写在中日(Kanbun)和中朝(Hanmun),分别。然而,东亚很少报告信息来源在月全食的色彩;1229年12月只有2的eclipsece可以用来估计极高的浊度。

评估的可靠性历史来源

每日食观测的可靠性评估通过批评和历史来源参考five-millennium月食(1999的目录公元前到3000年ce)21月食的eight-millennium目录(4000公元前到4000年ce)22使用最新的三角洲(Δ的历史价值T)54,55。我们也确保所有报告的日食史料是可见的(相关)在欧洲,中东和东亚使用可见性地图和当地的情况下表提供的目录。被小心地确定二手报告,也就是说,那些一个给定的作者没有证人,而是把信息从另一个来源。频繁的重复发生在西方和东方基督教来源由于常见的潜在源材料和复制的抄写员的实践,综合年鉴和零碎的更新和记录。一个表列出所有总月食记录月亮的颜色信息检索,并提供史料研究的背景下,总结提出了补充数据集S1。一个扩展版的补充数据集S1包含所有的描述月全食来自欧洲、中东和东亚认为在这项研究中(有或没有参考的颜色),连同eclipse可视化地图,可以从Zenodo访问存储库:https://doi.org/10.5281/zenodo.6907654。

四个步骤的过程改进HMP喷发的约会

contrain HMP爆发的时机,我们开发了一个四个步骤的方法分析的基础上的历史来源(步骤1);全球气溶胶模拟和观测(步骤2);以年轮为温度重建(步骤3);和集成的步骤1 - 3的结果(步骤4)。更详细的分解过程的每个步骤和具体说明使用1815年著名的例子ce坦博拉火山喷发提供如下。

推导SAOD月全食的颜色和亮度

在月全食,月亮经过地球的影子,这是部分照射的光折射的大气。折射太阳光的光谱散射和吸收的影响。瑞利散射更强更短的波长(分子),至少影响到橙色或红色的光。当平流层的t裇,黯然失色的月亮会出现铜深红色。浑浊的平流层,散射波长可见光的强烈增强,减少通过大气传输肢体,月亮在eclipse中出现黑(er)。在极端的情况下,它可以看起来几乎完全消失16,17,18,36,56,57。颜色和亮度(l黯然失色的月亮被评为根据Danjon规模35,从l= 0l= 4:

  • l= 0:非常黑暗的eclipse。月亮几乎看不见,特别是在mid-totality。

  • leclipse = 1:黑色,灰色或棕色的颜色。表面细节是很难区分的。

  • l= 2:深红或铁锈花eclipse。非常黑暗的中央的影子,而外层本影相对明亮。

  • l= 3:红砖色的eclipse。阴暗的影子通常有一个明亮的或黄色的边缘。

  • l= 4:非常聪明的铜红或橙色的eclipse。本影之中有一个蓝色的,非常聪明的边缘。

这种规模是专门来估计用肉眼月亮的亮度,这非常适合我们的目的,因为没有高分辨率,艾滋病技术存在十二和十三世纪。检索所有月食的描述和评估可信(步骤1.1)被评为使用Danjon规模(步骤1.2)。注意账户指界限不明的日偏食被排除在分析只有月全食观测是适合这种方法16,17。最常见的形容词描述月食在中世纪的文本是‘rubeus-a-um’和‘sanguineus-a-um’,意思是‘红’和‘blood-coloured’,分别;月食,所以被评为描述l= 3。一个Danjon刻度值l= 4被认为只有黯然失色的月亮被形容为表现出强烈的和各种颜色,比如在这个例子中,一个eclipse的英语和尚巴塞洛缪·德棉1287年10月22日ce:“Eodem庵野luno plenilunio est crocei字签证,须rubei ac varii colori”(“同年,在满月期间,月亮表现出黄色、红色和其他颜色”)。Danjon值l= 0只是认为如果作者明确指出,月球已经成为看不见的eclipse或非常黑暗。

转换Danjon-scale光度SAOD估计

估计火山气溶胶在平流层的数量和相关的入射太阳辐射的衰减,我们Danjon的转换l值派生为每个月食参到SAOD值后现有的转换方法。16,17,18,19(步骤1.3)。分析46月食发生在1880 - 1888和1960 - 2001之间ce表明Danjon值l= 4、3、2和图1可以密切相关SAOD值0,0.01,0.02和0.04,分别SAOD价值0.1或更高版本(需要一个黑暗的月全食l= 0)发生。

约束爆发全球气溶胶模拟和卫星观测日期使用

确定时期(T黑暗)当SAOD超过0.1,黑暗的月全食条件(步骤2.1),我们使用四个Samalas (5) SAOD时间序列。UE1-UE6,我们提取SAOD时间序列在1883年ce喀拉喀托火山和1991ce皮喷发佐藤/ GISS的数据集37。这个数据集,基于卫星观测,地面光学测量和火山学的证据,报告SAOD处于1850年以来的550海里ce。我们还为皮SAOD时间序列中提取喷发从全球太空平流层气溶胶气候学(GloSSAC v2)数据集38,1979 - 2018年的一段时间ce。随着观测数据不可用在19世纪中期之前,我们估计每个喷发的火山平流层气溶胶的停留时间(UE1-UE6) eVolv2k数据库4。在1257年的情况ceSamalas爆发,我们也依靠IPSL气候模型的结果(IPSL-CM5A-LR)40,因为它对气溶胶粒子物理学和验证了1991多人注意到的ce皮火山喷发58。

每个SAOD系列涵盖了56-month时间窗口(前4个月爆发和52个月后)。皮纳图博火山喷发释放硫比存在着巨大的不确定性的停留时间在平流层气溶胶44和时间窗SAOD≥0.1取决于气溶胶模型选择的不同方法)。因此,对于每个月56-month时间窗口内,我们决定SAOD = 0.1的概率超过阈值时间序列之间的协议的基础上。概率定义为“非常高”如果所有的时间序列(Samalas 4 UE1-UE6, 5)表示超过数给定的阈值。同样,概率被认为是“高”或“媒介”如果至少有三个或两个,分别是数据集同意了,“低”如果只有一个数据集表示阈值超过数(步骤2.2)。SAOD时间序列提供,对于每一个喷发,最可能的时间间隔(分钟:月max)在一个黑暗的月食喷发后可以观察到。相反地,我们可以假设最可能爆发日期落在时间间隔内(月马克斯:一月min)日期前的黑暗月食(步骤2.3)。

使用大型树木年轮重建约束爆发日期

突然发现冷却温度在大型树木年轮重建提供了独立证实气候上重要约会的火山喷发59,60。在这里我们使用了NVOLC v2 (ref。7),Sch2015 (ref。41)和N-TREND2015 (ref。42)重建提炼HMP喷发的约会(步骤3.1)。之后的最大的火山喷发事件日期是已知的(也就是说,Huaynaputina 1600年2月ce1641年1月,帕克ce1815年4月,坦博拉火山ce1883年8月,喀拉喀托火山ce1991年6月,皮ce),树记录冷却在北半球夏季(6或环流)温度在1601年,1641年,1816年、1884年和1992年ce,从17岁开始,6日,14日,分别为10和12个月后爆发。因此,我们考虑到冷却观察不到3和超过24个月后不能自信地归因于火山喷发迫使。与现有文献的协议60,61年,我们假设冷却与火山爆发高峰出现在6到18个月后爆发,用概率最高9至15个月(步骤3.2)。

结合最佳证据喷发时间的估计

在我们程序的最后步骤,我们估计最可能的喷发时间窗口通过观察到的结果和模拟SAOD时间序列,月食(步骤2.3)和树木年轮记录(步骤3.2)使用决策矩阵作为步骤4.1开发和扩展数据图。1。这个矩阵的基础上,我们因此认为火山爆发很可能发生在SAOD时间序列的时间窗口,月食和树木年轮记录表明持续高概率(步骤4.2)。

测试使用公元1815年坦博拉火山喷发象征四个步骤的过程

为了测试我们的约会方法的鲁棒性,我们使用年代确定的坦博拉火山爆发发生在1815年4月5日ce(扩展数据图。1)。一些当代来源报道发生月全食的1816年6月9至10ce,其中观察卡博尔Lofft (1751 - 1824ce在伊普斯维奇(英格兰),发表在月刊1816年ce(步骤1.1)。这个eclipse的黑暗的印象现代天文学家和被评为lDanjon规模= 017,62年(步骤1.2)。使用转换的参考文献提出的规模。16,17,18,191.3(步骤),我们假设SAOD超过0.1 1816年6月9至10ce坦博拉火山喷发后,14个月。SAOD观察37,38和模拟39,40表明SAOD超过0.1的概率是最高的火山喷发后3至20个月。因此,我们认为最可能的喷发时间窗落在3个月前的黑暗月食9 1816年6月,1814年12月至1816年3月ce(步骤2.3)。然后,我们使用突然冷却温度记录在北半球以年轮为重建提炼步骤2.3中确定的时间窗口。峰冷却通常是在树木年轮记录9至15个月后发现一个大型火山喷发。1816年夏天强烈的冷却中观察到ce在北半球树木年轮重建7,41,42因此指向一个爆发发生在1815年4月到10月之间ce(步骤3.2)。最后,我们结合发生概率的估计从步骤2.3和3.2使用决策矩阵(步骤4.1)和估计的坦博拉火山爆发很可能发生在1815年5月ce1815年8月,ce(步骤4.2)。因此我们估计将与坦博拉火山喷发的实际日期(1815年4月ce),证实了我们的方法的鲁棒性,以及它的适用性的HMP喷发。

Four-step-procedure:不确定性、警告和改进的余地

与任何其他方法一样,本研究提出的过程约束HMP喷发的时间有一些局限性。在以下部分中我们解决这些问题还存在几个途径的研究进一步完善我们的评估。

挑战约会使用古老的火山喷发月食记录

历史的观察月食亮度被认为是一个有价值的代表SAOD大型火山爆发后7,16,17,18,19。然而,预防措施是必要的适当使用这个代理:

  1. 我。

    只有月全食是合适的。部分和半影食不能用于平流层浊度的可靠估计16。

  2. 二世。

    全部最好应该在良好的天气条件(清楚,黑暗的天空),不要太接近地平线,而不是过于接近黎明或黄昏16。

  3. 三世。

    日全食期间月球外貌必须明确描述和超过磁盘的颜色表示。

  4. 第四。

    报告应该是当代事件和最好的目击者。这些条件并不总是满足可用的中世纪的来源(见补充数据集S1的更多信息)。

  5. v。

    我们的研究表明,只有约20个月内月食发生的火山爆发是有用的对于约会的目的和歧视对流层和平流层火山气溶胶的运输。在给定的位置,两个连续的月全食范围之间的间隔6个月至3 - 4年(参考文献。17,63年)。的不规则发生月全食因此可以防止火山爆发的约会如果eclipse之外这20个月的时期。

  6. vi。

    精心治疗和解释时需要学习历史月食的报告64年,65年,因为一些描述可能过于短暂的或神秘的平流层浊度提供有用的信息,可能导致错误的解释。其中一个例子是1258年11月的月食ce记录在Azuma Kagami(吾妻鏡,5卷,625页。)66年:

Shōka 2.10.16

“明确。小时后的蛇am-11[9],大雨和洪水。房屋被冲走,人们淹死了。小时的马[11]am-1点天气开始清理。在老鼠的小时(上午11 pm1)月亮黯然失色;这不是正常显示”(见补充数据集S1)。

这个事件的描述是模棱两可的,很难自信地把它归类为一个黑暗的月食。这个帐户是事件之后的数十年里,现在是基于早先源丢失。因此,我们没有任何光度值属性这个帐户。

尽管存在这些挑战,月食迄今为止代表唯一代理提供一个直接和精确估计过去的火山气溶胶大气扰动。相比之下,太阳dimming-references已多次用于识别火山尘面纱2,67年,68年,69年,70年,71年,72年,73年,74年-很少与可比的准确性和约会也可以误识别(当来自日食或太阳能的光环75年,76年)。

不确定性的时间演化模拟平流层气溶胶气候模型

在我们的研究中一个重要的一步是估计的时间间隔后爆发,我们预计平流层气溶胶足够光学厚造成黑暗的月食。这个间隔,T黑暗时,计算间隔SAOD超过0.1。我们生产一个概率的估计T黑暗从观察和模拟全球平均SAOD时间系列。模型的使用是必要的,因为研究中所包含的一些火山喷发产生更大的SAOD比最大的火山喷发的现代时期良好的观测是可用的。然而,这种介绍的时间演化的平流层气溶胶中巨大的不确定性最大的硫磺产量。在最初的发展阶段之后,SAOD从最近爆发大约指数随时间衰减1。如果这种行为适用于更大的爆发,那么黑暗期间可能发生日食会延长大爆发。另一方面,模型包括微观物理学的过程表明,更大的喷发产生较大的硫酸盐气溶胶粒子,因此短极高的住所77年,78年,79年。如果是这样的话,这将意味着更短T黑暗期。这种复杂性反映在广泛的模拟SAOD最先进的气溶胶模型的整体协调模拟1815年的坦博拉火山喷发80年。

我们的分析认为这SAOD进化对于大型硫收益率的不确定性。的eVolv2k SAOD产生时间序列与EVA模型,基于观察的1991皮火山喷发和只使用一个简单的变异SAOD衰变的时间尺度与喷发大小。比较eVolv2k SAOD与全面的坦博拉火山气溶胶模型模拟(图。3在裁判。80年)表明,T黑暗时间间隔从eVolv2k比得上来自模型产生最持久的气溶胶扰动。一生大SAOD和气溶胶模型差异反映目前的不确定性对气溶胶的形成过程和运输在当前最先进的模型44,81年。的eVolv2k SAOD时间序列的估计VSSI取决于每个喷发;因此,eVolv2k SAOD时间序列代表的上限T黑暗时间间隔。相比之下,IPSL模型,基于自由运转的气溶胶微观物理学的进程82年坦博拉火山中,整体生产SAOD衰变,因此最短最快的国家之一T黑暗间隔。这种行为反映了快速增长的平流层硫酸盐气溶胶,极大地增强了重力沉降。因此IPSL结果提供一个估计的下限T黑暗。通过包括这些近似在上限和下限T黑暗在我们的分析中,我们将不确定性平流层气溶胶进化和传播到我们最后的约束爆发时机。

警告的使用以年轮为代理

树的年轮已经使用了近40年评估时机和评估火山喷发的环境后果48,83年,84年,85年,86年,87年,88年,89年,90年,91年,92年。然而,火山探测信号年轮记录有几个挑战。一些树木年轮参数被用来研究过去的火山活动。其中一个是环宽度(RW)的年增量木头的年轮。树木通常应对火山诱导生产窄RW冷却。然而,使用这个参数日期和量化冷却大型火山喷发引起的争论。RW是强烈影响生物的持久性,这会引起RW temperature-based重建低估,滞后和夸大post-eruption冷却的时间83年,90年,93年,94年。树木年轮社区因此主张使用另一个参数称为“最大latewood密度”(MXD),视为“黄金标准的高分辨率古气候学温度重建”95年。MXD,获得高分辨率密度资料以x射线radiodensitometry,的确是不易生物记忆和极端气候响应更快。然而,不幸的是,很少MXD年表扩展到1300年之前ce83年,94年。此外,火山爆发不会导致全球统一的夏季降温9,83年,90年。根据硫磺产量的喷发,其纬度和季节,流行的气候条件和内部差异,一些地区将降温,而其他人经验几乎没有变化83年。当从不同地区树木年轮年表,平均产生的半球温度重建,火山可以因此变得平淡,难以检测的信号83年。

我们使用了NVOLC v2 (ref。7),Sch2015 (ref。41)和N-TREND2015 (ref。42)重建提炼HMP喷发的约会。NVOLC v2重建由25树木年轮年表(MXD 12和13 RW年表),Sch2015依赖15 MXD年表分布在北半球extratropics,而N-TREND2015是基于网络的54个记录(11 RW, 18 MXD 25混合组成的系列RW, MXD和蓝色强度记录)。这些重建被选中,因为他们将大量的MXD记录。我们没有使用最近出版的重建,完全依赖RW记录96年。

整体比较的三个北半球重建显示了UE1-UE6好协议(无花果。3和扩展数据图。2)。UE2,我们注意到,最大峰值冷却是观察到的1171年ce在Sch2015 N-TREND2015和一年后,NVOLC v2。1257年ceSamalas喷发,Sch2015 N-TREND2015显示明显的冷却,which-however-remains范围的不确定性的NVOLC v2重建。我们认识三个这些差异的来源。(1)不同的年轮网络中使用的不同的研究。NVOLC v2只包括年表,包含完整的今天和十二世纪之间,而Sch2015和N-TREND2015包括短系列。(2)不同的传递函数使用。NVOLC v2是基于一个嵌套的主成分回归逐渐适应一个可用的代理记录数量的变化48,97年结合1000 -迭代引导方法使计算与重建有关的不确定性。相比之下,Sch2015和N-TREND2015基于扩展的方法。(3)气候数据集用于校准。NVOLC v2每月使用意味着(1805 - 1972年ce)环流温度异常(40 - 90°N)最近发布的伯克利地球表面温度(最好的)数据集98年。施耐德et al。41校准他们的代理记录对月平均环流温度异常(1901 - 1976ce)来自5°×5°CRUTEM4v网络99年(30 - 90°)。威尔逊et al。42扩展他们的代理记录CRUTEM4v (40 - 75°N) MJJA土地温度在1880 - 1988年ce时期。这些差异在年轮的组合网络,传输函数,气候参考数据,校准周期以及目标赛季不可避免地导致差异的冷却情况下特定的事件。

我们的研究依赖于先进的重构,有效捕捉post-volcanic夏天冷却但有几种途径可以提高冷却峰值检测和改进HMP爆发的时机:

  1. 我。

    改进的空间覆盖millennium-long MXD网络差的最新数据代表的地区。

  2. 二世。

    定量木材解剖学(QWA)。爱德华兹et al。One hundred.,101年试图缩小高峰时期冷却与1783年夏末的拉基火山爆发有关ce使用细胞层面树木年轮代理测量。这些发现与MXD重建表明,整个1783年ce夏天是非常寒冷和树RW重建静音冷却。这样的结果表明,比树RW QWA数据可以更准确地识别和MXD记录峰值的时间冷却后生长季节内的火山喷发。包括QWA HMP喷发的分析在这项研究中提出的四个步骤的过程可能会进一步完善喷发时间的估计。尽管有前景的结果,高度解决QWA正处于早期阶段。进一步,因为高度解决木材解剖参数年表是昂贵的和劳动密集型的,不太可能一个操作(北半球)网络QWA记录将很快上市。

对流层和平流层气溶胶层之间的差别

大部分的折射阳光,照亮黯然失色的月亮通过5至25公里以上的地球表面19。上对流层气溶胶(5 - 10公里)可能影响月球的亮度18但是他们的停留时间的几个星期1,18。黑暗月食因此更可能表明大型火山活动后高浊度的平流层16,17,18。我们因此假设月食淡红色或铜制的颜色(也就是说,一个l值> 1)观察HMP喷发后表明,气溶胶面纱主要是局限于对流层和气候影响可能有限。我们的方法的鲁棒性是评估通过比较我们的结果与硫同位素记录(Δ33从穹顶C(南极洲)3,这已被证明有价值的代理来区分喷发的羽毛以上到达平流层臭氧层和那些仍然低于3,102年,103年,104年,105年,106年,107年。