地球的气候无法在实验室中复制。因此，为了理解这个行星热量调节的关键组成部分是如何运作的，科学家们必须依赖“自然实验”。 这种自然实验以灾难性的形式出现，例如1991年6月菲律宾皮纳图博火山爆发，将10立方公里的火山灰、气体和其他物质喷射到高空。 通过追踪这次爆发如何影响全球气候——并确定如何在其他记录中追踪其足迹——科学家们已将这场灾难变成了一种理解的工具。“气候的最大问题——以及试图研究它——是你无法在实验室中进行模拟，”哥伦比亚大学的大气科学家乔安娜·弗特延说。“我们试图利用这个突发事件作为一个自然实验：一些戏剧性的事情发生了，你可以观察大气如何对它做出反应。”
弗特延和伦敦帝国理工学院的物理学家约翰·哈里斯分析了大气湿度和温度对火山爆发的反应，以及地球的整体辐射平衡——换句话说，地球吸收的太阳能与辐射回太空的能量之间的差异。 过去30年中，作为全球变暖的一部分，从地球表面发送回太空的这种能量光谱（通过卫星测量）发生了变化，但这种变化的速率和幅度仍然难以测量，并且依赖于各种大气过程，例如水蒸气的量。
大气对皮纳图博火山爆发的反应表明，这个系统反应迅速，火山喷发出的阻挡阳光的硫酸盐气溶胶在四个月内使地球降温。 到六个月时，地球向太空辐射的热量比火山爆发前减少了每平方米2.6瓦。 湿度因此下降，但速度缓慢，到1992年底，气候再次达到平衡，研究人员在1月2日的《地球物理研究快报》中写道。“从对皮纳图博火山的观测来看，[能量]的净流量很快使自身恢复平衡，”弗特延说。
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皮纳图博火山还在天气上留下了印记。 当火山爆发时，它将二氧化硫喷射到大气中，在那里，一定波长的紫外线将一些硫分子转化为更轻的同位素——这是这种平流层爆发独特的化学标志。 携带这种特定同位素比率的硫酸盐落回地表，聚集在未受干扰的区域，例如南极洲的积雪中。 加州大学圣地亚哥分校的同位素化学家马克·蒂门斯和他的团队挖掘了30吨积雪，以寻找这样的同位素记录，这种记录已经在古代地球的地质层中被观察到。
皮纳图博火山及其前身——1963年阿贡火山的爆发——都在积雪中留下了这样的痕迹，而较小的、没有喷发到如此高空的火山爆发则留下了不同的痕迹，蒂门斯和他的团队在1月5日的《科学》杂志上揭示了这一点。 通过理解这种化学作用，就有可能将火山记录——及其对气候的影响——追溯到过去。
像皮纳图博火山这样的灾难性爆发的影响可能是短暂的，但它们在气候及其残留物中的记录描绘了气候可能如何对其他所谓的强迫因素（如人类温室气体排放）做出反应的图景。 它还有助于评估这个复杂系统可能如何对人类试图对其进行干预以避免此类气候变化可能造成的灾难性影响做出反应——例如，正如大气化学家和诺贝尔奖获得者保罗·克鲁岑提出的那样，向天空注入硫酸盐气溶胶。“这是一种定量的方式来了解平流层对扰动的敏感程度，”蒂门斯指出。“它让你对化学作用有所了解，因为大自然已经为你进行了一些实验。”