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湯加火山爆發事件,科學家們怎么看?

發布時間:2022年01月24日 來源:科普中央廚房

南太平洋一座海底火山的大規模噴發,在全球輿論中掀起波瀾。來聽聽各個領域的科學家們,從專業的視角解讀火山爆發的過程與影響。

1月15日,南太平洋島國湯加海域發生大規?;鹕奖l,引發海嘯災害,波及整個環太平洋地區。這次“意外”的火山爆發,讓總人口10萬的南太平洋島國,瞬間成為全球矚目的焦點。

▲1月15日,日本氣象衛星“海馬8號”拍攝的衛星圖像顯示,湯加海底火山噴發形成了高達20公里,頂部擴散數百公里的噴發柱(圖片來源/視覺中國)

有專家推測,這次火山噴發是地球上最近30年以來威力最強的一次?;鹕奖l造成的次生災害不僅使湯加一度“全國失聯”,并可能繼續對全球生態環境、氣候環境帶來不可預估的影響。

由于火山爆發事發突然且歷史罕見,事件后伴隨大范圍人道主義救援的,是公眾和專業人士圍繞相關科學問題的討論和疑問。記者采訪了地質、氣候、海洋等多領域的專業人士,從科學的視角解讀火山爆發的過程與影響。

海底火山爆發為何能“水火交融”?

眾所周知,水與火是“水火不容”的存在。但此次湯加火山爆發當中,茫茫太平洋的海水不僅未能讓火山“熄滅”,甚至助長了爆發的威力,這種“水火交融”的現象是怎樣產生的?

首先需要明確一點,海底火山噴出的到底是什么?乍一看,的確和“噴火”差不多,但事實上那不是火,而是巖漿,一種像鋼水一樣的熔融物質。

巖漿來源于地球的軟流層,是巖石的熔化狀態,是流動的,溫度高達上千攝氏度。地殼下因為具備高溫高壓的環境,儲存著大量的巖漿。當板塊運動頻繁時,巖漿會在高壓作用下沖破地殼,向外噴涌而出,形成火山爆發。

火是燃燒物與空氣之間的劇烈氧化作用形成的,水能滅火的原理,一是降溫,二是隔絕氧氣。沒有了氧氣,燃燒物也就無法繼續進行氧化活動,燃燒自然就停止了。

而巖漿不太一樣,它的噴發是地底高壓導致的,本身就不需要助燃物和燃燒物,熾熱的巖漿接觸到冰冷的海水后,高溫使得附近海水迅速變成水蒸氣,這就是“水火交融”時的劇烈景象。

▲從我國高分一號B衛星遙感圖像中可以看到,洪阿哈阿帕伊島周邊幾十公里海域漂浮著大量的紅色、褐色的浮石,長度從幾米到10多公里不等。浮石由火山熔巖和海水接觸形成,其主要成分通常是二氧化硅,質地軟,比重小,在海浪的作用下聚集在一起,可形成大片浮石區,不僅會影響船只航行,海域中魚類資源也會因為誤吞浮石而死亡(圖片來源:央視新聞)

海底火山噴發和陸地火山噴發的介質不一樣(一個是海水,一個是空氣)。由于空氣的阻力比海水小,照理說同樣規模的火山噴發,陸地上的火山噴發會更猛烈些。但真實情況卻是:海底火山的噴發有時表現得更加劇烈。這是因為巖漿噴發會使海水迅速沸騰,在極短時間內產生高溫和大量的氣體,因此海底火山噴發容易伴隨劇烈的爆炸。

當然,有些海底火山活動較為緩和,海水和巖漿接觸過程中,海水不斷沸騰,對巖漿不斷降溫,最終巖漿會冷卻成固態覆蓋在海底。巖漿噴發得多,就堆積起來,露出水面成為島嶼。

火山爆發預警有多難?

以目前的情況來看,大多數科學家認為本次湯加火山爆發的級別屬于比較強的VEI5或者VEI6(即Volcanic Explosivity Index,火山爆發指數)。在技術高度發達的當下,如此強烈的火山運動為何仍然無法被提前預警?

目前,對火山爆發(尤其是海底火山)的監測,難度是非常大的。

火山是巖漿活動的產物,當地下深部的巖漿受到巨大壓力的作用時,就會噴出地表形成火山。如果火山位于大洋底部,就稱為海底火山。據估算,地球上有約2萬座海底火山,多分布于板塊構造、巖漿活動活躍的區域,如大洋中脊、島弧等。這2萬座火山中,有的已經壽終正寢,有的仍然年輕活躍,另一些則正在休眠。比如著名的夏威夷群島,實際上就是由火山噴發形成的群島。

世界上火山最活躍的地區恰恰就是太平洋,地質學上有“環太平洋火山帶”的說法,這個火山帶大體環繞整個太平洋,全長4萬多公里,活火山數量超過500座,湯加火山只是其中之一。

世界上火山數量這么多,海底火山又分布在茫茫大洋當中,以人類現有的地質研究和海洋探測水平,很難對海底火山的活動實現直觀的監控,基本上只能“聽之任之”。

▲我國境內活火山的監測分布圖。吉林長白山火山、龍崗火山、黑龍江五大連池火山、鏡泊湖火山、云南騰沖火山和海南瓊北火山已被納入中國火山監測臺網。包括地震、重力、形變、流體等多種監測手段都被用于這些活動火山的實時監測中(圖片來源:四川在線)

針對海底火山,目前通用的方法是根據已有的噴發資料,推算出下一次可能活躍的周期和時間,但這個數據的科學準確性不高,方法也比較原始。

正因為如此,目前湯加火山噴發何時結束也無法確定,因為火山活動是在地質時間尺度,而不是在人類時間尺度上,持續幾天、幾周甚至幾個月的爆發跨度都有可能,只能說后續爆發強度可能會減弱一些。這與一次地震以后,余震持續幾年甚至幾十年的道理是相似的。

火山爆發會造成全球變冷的“無夏之年”?

湯加火山噴發后,關于火山灰影響氣候的一些推測牽扯著人們的神經—大量火山灰進入平流層后長期無法沉降,產生“遮陽傘效應”,會造成全球溫度下降的“無夏之年”。這種說法有科學依據嗎?火山噴發確實會與全球氣溫下降產生關聯。但目前為止,湯加火山對全球氣溫的影響不會很大。

火山確實會導致地球“降溫”,主要原因是它們向大氣層中注入了含硫氣溶膠,這些氣溶膠進入平流層后,會將更多的陽光反射出去,從而在大氣層內產生冷卻效應。近100年來,有三次大規模的低緯度火山噴發,分別是印尼阿貢火山(2019年)、墨西哥埃爾奇瓊火山(1982年)和菲律賓皮納圖博火山(1991年)。它們噴發后的當年冬季,我國除東北和新疆外大部分地區氣溫偏低。

但談到氣候影響,火山噴發的規模是必須考慮的重點因素,曾導致全球平均氣溫下降0.5℃的菲律賓皮納圖博火山爆發VEI是6級,它在1991年的爆發釋放了20000千噸二氧化硫;此次湯加火山的爆發預估的VEI是5~6級,但噴發首日二氧化硫釋放量僅為62千噸,對全球氣溫的影響不會很大。

▲根據我國風云四號B衛星的觀測,火山灰云中的大部分礦物顆粒物質在火山爆發點周圍徘徊并逐漸沉降,而火山云團中還逐漸有淺色云團分離,并逐漸向西擴散。經分析,這部分云團主要是由二氧化硫等酸性氣體組成(圖片來源:央視新聞)

一系列研究表明,火山噴發一般會對未來1~2年全球和東亞氣候產生持續影響,造成一定的降溫效應。對于我國而言,火山噴發還可能減弱次年東亞夏季風強度,進而導致我國夏季雨帶偏南,影響整個汛期降雨量。

對海洋生態是福還是禍?

湯加海底火山噴發以后,數量巨大的火山灰、巖漿、硫化物落入海水當中,并隨洋流飄散,它們會給海洋生物來說帶來怎樣的影響?會破壞我國沿海生態環境嗎?

海底火山噴發的瞬間,周圍海水迅速升溫沸騰,會給附近的海洋生物造成毀滅性打擊;火山噴發出的巖漿覆蓋在海底,會造成大量海底生物死亡;熔巖里攜帶的大量硫化物,對于更遠處的海洋生物也是有毒性的。

火山噴發的間接影響則是長期的、大范圍的。由于大量火山灰遮擋住陽光,海水中藻類的光合作用就會減弱。藻類是海洋生態系統中的初級生產者,通過光合作用產生氧氣、供給有機質,養活其他海洋動物或微生物。藻類一旦減少,這片海域的生物量就會減少,有可能導致該地區生態系統中的群落結構發生根本改變甚至崩潰。

火山噴發還會導致一定區域內海水渾濁度升高,這不但會進一步影響藻類的光合作用,渾濁顆粒物質還會附著或者覆蓋在珊瑚礁上,堵住礁棲生物的呼吸、濾食孔,殺死珊瑚蟲等礁棲生物。

▲受湯加海底火山噴發導致的海嘯影響,日本共有30艘左右的漁船發生傾覆或沉沒,多地存在漁業和水產養殖設備受損的情況(圖片來源:環球網)

從另一個角度看,火山噴發導致海水溫度升高,有毒有害物質增加,這可能引發海洋生物基因變異速度加快。

前幾天,有關“野生大黃魚豐收”的新聞刷屏,有網友認為這和湯加海底火山噴發有關系,其實這種懷疑的科學依據不足。大黃魚是中國近海的主要經濟魚類之一,不是被火山爆發從遠洋趕過來的。漁船一網能捕獲這么多大黃魚,主要是我國多年來實行夏季休漁措施以及加強海洋環保措施的成果。加上漁船捕撈能力和魚群雷達探測跟蹤能力大幅度提高,魚群又恰好在越冬場(魚蝦類群聚過冬的水域)內過冬。

至于魚群聚集與湯加海底火山噴發引發的地震和海嘯是否有關聯,這種可能性不大,但也不能完全排除由于地震波和海嘯波傳到中國近海,引起大黃魚聚集,短時間內形成較大魚群的可能性。


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