De wit-grijze pluim die vrijkwam bij de uitbarsting in de Polynesische archipel is de eerste gedocumenteerde pluim die is doorgedrongen tot een koude laag in de atmosfeer, de mesosfeer, volgens wetenschappers die een nieuwe techniek gebruikten om de hoogte te meten met behulp van meerdere satellietbeelden.

De pluim bestond voornamelijk uit water met wat as en zwaveldioxide erin gemengd, aldus atmosferisch wetenschapper Simon Proud, hoofdauteur van het onderzoek dat is gepubliceerd in het tijdschrift Science. Uitbarstingen van vulkanen op het land bevatten doorgaans meer as en zwaveldioxide en minder water.

De oorverdovende uitbarsting stuurde tsunamigolven over de Stille Oceaan en veroorzaakte een atmosferische golf die meerdere malen de wereld rondging. (Zie gerelateerde grafiek)

"Voor mij was het indrukwekkend hoe snel de uitbarsting plaatsvond. Het ging van niets naar een 57 kilometer hoge wolk in slechts 30 minuten. Ik kan me niet voorstellen hoe dat vanaf de grond te zien moet zijn geweest," zei Proud, een medewerker van het Britse National Centre for Earth Observation, werkzaam bij de Universiteit van Oxford en STFC RAL Space.

"Wat mij fascineerde, was de koepelachtige structuur in het midden van de parapluplu. Ik heb nog nooit zoiets gezien," voegde atmosferisch wetenschapper en co-auteur van de studie Andrew Prata uit Oxford eraan toe.

De schade en het verlies aan mensenlevens - zes doden - was relatief laag door de afgelegen locatie van de uitbarsting, hoewel deze wel een klein en onbewoond eiland wegvaagde. Tonga is een archipel van 176 eilanden met iets meer dan 100.000 inwoners, gelegen ten zuidoosten van Fiji en net ten westen van de internationale datalijn.

"Het had veel erger kunnen zijn," zei Proud.

De pluim liep door de onderste twee lagen van de atmosfeer, de troposfeer en de stratosfeer, en ongeveer 7 km tot in de mesosfeer. De top van de mesosfeer is de koudste plaats in de atmosfeer.

"De mesosfeer is een van de bovenste lagen van onze atmosfeer en is over het algemeen vrij rustig - er is daar geen bekend weer en de lucht is erg droog en extreem ijl," zei Proud. "Het is een van de minst begrepen delen van de atmosfeer omdat het zo moeilijk te bereiken is. Lager kunnen we vliegtuigen gebruiken. Hogerop hebben we ruimtevaartuigen. Veel meteoren verbranden in de mesosfeer, en het is ook de thuisbasis van noctilucente (nachtschitterende) wolken, die soms zichtbaar zijn in de zomer in de richting van de polen."

De pluim was ver verwijderd van de volgende atmosferische laag, de thermosfeer, die ongeveer 85 km boven het aardoppervlak begint. De Karman-lijn, ongeveer 100 km boven het aardoppervlak, wordt algemeen beschouwd als de grens met de ruimte.

Tot nu toe waren de hoogste geregistreerde vulkanische pluimen afkomstig van de uitbarsting van de Pinatubo in de Filippijnen in 1991, met een hoogte van 40 km, en de uitbarsting van El Chichón in Mexico in 1982, met een hoogte van 31 km. Vulkaanuitbarstingen in het verleden produceerden waarschijnlijk hogere pluimen, maar die vonden plaats voordat wetenschappers dergelijke metingen konden verrichten. Proud zei dat de Krakatau-uitbarsting van 1883 in Indonesië waarschijnlijk ook de mesosfeer bereikte.

Wetenschappers konden hun standaardtechniek om een vulkaanpluim te meten niet gebruiken omdat de uitbarsting van januari de maximale hoogte overschreed waarvoor deze methode kon worden gebruikt. In plaats daarvan maakten zij gebruik van drie geostationaire weersatellieten die elke 10 minuten beelden maakten en vertrouwden zij op het zogenaamde parallaxeffect - het bepalen van de positie van iets door het langs meerdere zichtlijnen te bekijken.

"Om de parallaxbenadering die wij gebruiken te laten werken, zijn meerdere satellieten op verschillende locaties nodig - en dat is pas sinds een jaar of tien op wereldschaal mogelijk," aldus Proud.