地球的氣候無法在實驗室中複製。因此，為了理解這個行星熱量調節的關鍵組成部分是如何運作的，科學家們必須依賴“自然實驗”。 這種自然實驗以災難性的形式出現，例如1991年6月菲律賓皮納圖博火山爆發，將10立方公里的火山灰、氣體和其他物質噴射到高空。 透過追蹤這次爆發如何影響全球氣候——並確定如何在其他記錄中追蹤其足跡——科學家們已將這場災難變成了一種理解的工具。“氣候的最大問題——以及試圖研究它——是你無法在實驗室中進行模擬，”哥倫比亞大學的大氣科學家喬安娜·弗特延說。“我們試圖利用這個突發事件作為一個自然實驗：一些戲劇性的事情發生了，你可以觀察大氣如何對它做出反應。”
弗特延和倫敦帝國理工學院的物理學家約翰·哈里斯分析了大氣溼度和溫度對火山爆發的反應，以及地球的整體輻射平衡——換句話說，地球吸收的太陽能與輻射回太空的能量之間的差異。 過去30年中，作為全球變暖的一部分，從地球表面傳送回太空的這種能量光譜（透過衛星測量）發生了變化，但這種變化的速率和幅度仍然難以測量，並且依賴於各種大氣過程，例如水蒸氣的量。
大氣對皮納圖博火山爆發的反應表明，這個系統反應迅速，火山噴發出的阻擋陽光的硫酸鹽氣溶膠在四個月內使地球降溫。 到六個月時，地球向太空輻射的熱量比火山爆發前減少了每平方米2.6瓦。 溼度因此下降，但速度緩慢，到1992年底，氣候再次達到平衡，研究人員在1月2日的《地球物理研究快報》中寫道。“從對皮納圖博火山的觀測來看，[能量]的淨流量很快使自身恢復平衡，”弗特延說。
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皮納圖博火山還在天氣上留下了印記。 當火山爆發時，它將二氧化硫噴射到大氣中，在那裡，一定波長的紫外線將一些硫分子轉化為更輕的同位素——這是這種平流層爆發獨特的化學標誌。 攜帶這種特定同位素比率的硫酸鹽落回地表，聚集在未受干擾的區域，例如南極洲的積雪中。 加州大學聖地亞哥分校的同位素化學家馬克·蒂門斯和他的團隊挖掘了30噸積雪，以尋找這樣的同位素記錄，這種記錄已經在古代地球的地質層中被觀察到。
皮納圖博火山及其前身——1963年阿貢火山的爆發——都在積雪中留下了這樣的痕跡，而較小的、沒有噴發到如此高空的火山爆發則留下了不同的痕跡，蒂門斯和他的團隊在1月5日的《科學》雜誌上揭示了這一點。 透過理解這種化學作用，就有可能將火山記錄——及其對氣候的影響——追溯到過去。
像皮納圖博火山這樣的災難性爆發的影響可能是短暫的，但它們在氣候及其殘留物中的記錄描繪了氣候可能如何對其他所謂的強迫因素（如人類溫室氣體排放）做出反應的圖景。 它還有助於評估這個複雜系統可能如何對人類試圖對其進行干預以避免此類氣候變化可能造成的災難性影響做出反應——例如，正如大氣化學家和諾貝爾獎獲得者保羅·克魯岑提出的那樣，向天空注入硫酸鹽氣溶膠。“這是一種定量的方式來了解平流層對擾動的敏感程度，”蒂門斯指出。“它讓你對化學作用有所瞭解，因為大自然已經為你進行了一些實驗。”