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为什么汤加火山爆发会载入火山学史册?(Nature最新文章翻译)

已有 1496 次阅读 2022-2-11 20:28 |系统分类:科研笔记

原文链接:Why the Tongan eruption will go down in the history of volcanology (nature.com)

翻译如下:

为什么汤加火山爆发会载入火山学史册?

2022年)115日爆发的摧毁汤加的火山只持续了11个小时,但是,科学家们还需要数年时间才能弄清楚这场灾难性的爆炸究竟发生了什么,以及它对未来的火山风险意味着什么。

Animated sequence of the Hunga Tonga-Hunga Ha‘apai eruption.

这座名为浑加·汤加-浑加·哈培 “Hunga Tonga-Hunga Ha apai”的火山喷发出的火山灰直冲大气层顶部并引发摧毁了汤加附近岛屿上的房屋的海啸。火山爆发引起的回荡在全球环绕了很多次。

一系列精密的地球观测卫星捕捉到的这次爆炸的非凡威力,正在挑战关于火山爆发的物理学观点。研究人员发现,要解释为什么火山喷发出如此高的云朵、而喷发出的火山灰却比预期的喷发规模要少是一件很难的事。而且在大气和海洋中产生的冲击波也是现代科学时代前所未见的。

浑加·汤加-浑加·哈培火山迫使科学家们重新审视那些潜藏在太平洋大浪之下的由很多海底火山形成的危害的看法。

位于新西兰陶波市的新西兰地质与核子科学研究所(GNS ScienceNew Zealand Crown Research Institute)的火山学家尼科·福涅尔(Nico Fournier)认为:这只是对我们知之甚少的水下发生的事情的根本性揭示(就像撕开了伤口上的创可贴)。

Northward view at Hunga Ha'apai on the left foot of the volcanic plume from January 14, 2022.

全新的危险

这次发生在距离汤加首都努库阿洛法(Nuku‘alofa65公里的火山喷发,已经成为汤加超过10万居民的灾难。他们正在清理覆盖了所有地方的厚层火山灰,以重建清洁的供水设施和恢复受损的农作物,估计需要投入3900万汤加潘加(Tongan pa‘anga)(约1700万美元)(潘加 =2.78 人民币,211日汇率,译者王飞注)。这次火山爆发导致至少三分之一的人口死亡。汤加人面临第一波新冠疫情(COVID-19)病例是从其他国家的救援船抵达后开始的,已经和火山危机开始叠加产生影响了。

但是地震开始摇晃这一地区,火山的危险可能还并为结束。对115日火山喷发的火山灰的初步研究表明,它是由一批从地球内部升起的新岩浆提供的。浑加·汤加-浑加·哈培火山可能会持续一段时间,而且对汤加人的影响并不确定。

如何向该区居民提供应对未来风险的好建议,地球科学家的能力还很有限。位于华盛顿特区(Washington DC)史密森学会(the Smithsonian Institution)的全球火山活动项目(Global Volcanism Program)的火山学家珍妮·克里普内(Janine Krippner),目前在新西兰工作,说:希望火山学能给当地人民带来更多帮助,的确时间困难的事。但现在,情况并非如此。

大部分浑加·汤加-浑加·哈培火山位于水下。它导致海床升高了至少2000米并已经成为汤加克马德克火山弧(the Tonga–Kermadec volcanic arc)的一部分。这串海底火山几乎都位于一个巨大的地质碰撞带之上,太平洋板块的西部边缘在这里俯冲到印度-澳大利亚板块之下。太平洋板块边缘在下沉到地球深处的过程中会升温,熔化的岩石上升为汤加克马德克弧的火山提供岩浆。

地质证据表明,浑加·汤加-浑加·哈培火山大约每千年大规模喷发一次,在公元200年和1100年左右发生了巨大的爆炸。在过去的一个世纪里,1937年和1988年都发生了较小的喷发。那是火山的顶部开始露出水面,形成了两个小岛,分别叫做浑加·汤加(Hunga Tonga)岛和浑加·哈培(Hunga Ha‘apai)岛。

随后,在2009年,这座火山开始在浑加·哈培(Hunga Ha‘apai)岛喷发火山灰和蒸汽。在201412月和20151月的一次火山爆发后,形成了新陆地,并和两个岛屿连接形成了一个单独的陆地地块【1, 2】。

在新岛屿形成后不久,几个研究小组就开始调查,并收集了火山灰和岩石的样本。发表在《岩石杂志(Lithos)》的一篇关于火山物质地球化学分析上的论文发现在2009年和2014年期间的15次火山喷发物中包含了近期没有从地幔深处升起的熔岩。

相反,这些物质它在位于地壳深处5.8公里的岩浆库里中转停留了一段时间。当岩浆停留在那里时和最终喷发到地表之前,它经历了一些能说明问题的化学变化,就像葡萄酒在桶中熟化一样。

今年1月喷发的岩浆则有所不同。新西兰奥克兰大学(the University of Auckland in New Zealand)的火山学家肖恩·克罗宁(Shane Cronin)和同事分析了军事救援人员在汤加最大岛屿的机场附近收集的本次火山喷发的火山灰。化学分析表明,这次火山灰与2014-2015年喷发的不同。克罗宁说,新鲜的岩浆上升得很快,在埋藏的岩浆库中产生化学变化的时间并不长。

Animated sequence showing satellite images of Tongatapu Island before and after volcano eruption.

位于努库阿洛法(Nuku‘alofa)的汤加地质服务机构的地质学家塔尼亚拉·库拉(Taaniela Kula)和他的同事们一直在收集汤加各地岛屿上的火山灰样本,克罗宁和其他人正在分析这些样本。通过研究来自不同岛屿的火山灰,包括记录其厚度和分布范围,研究人员将能够更好地了解火山喷发是如何展开的。

令人惊讶的是,考虑到爆炸的规模,释放出的火山灰似乎相对较少。这可能是浑加·汤加-浑加·哈培火山爆发所处环境的结果:在水下,但深度相对较浅。

水因素

深水中的火山很少会在大爆炸中通过海洋表面喷发,因为上覆水的压力会阻止气泡的形成和膨胀。但是115日浑加·汤加-浑加·哈培喷发的火山口只有几十到250米深。这个深度相对较浅,水虽然不会抑制爆炸的威力,但深度足以让喷发的岩浆遇到大量的水。

水可以通过快速加热形成迅速膨胀的蒸汽来引发爆炸性喷发。加州大学伯克利分校(the University of California, Berkeley)的地球科学家迈克尔曼加格(Michael Manga)说,通过这种方式,它能有效地将岩浆的热能转化为火山喷发的动能。他说,一些最强大的喷发是通过水进行的。

另一个重要的因素是在岩浆喷发前有多少火山气体被混合到岩浆中。澳大利亚墨尔本莫纳什大学(Monash University)的火山学家、名誉教授雷蒙德·卡斯(Raymond Cas)说,富含气体的岩浆上涌可能为115日的喷发提供了大量的气泡,为爆炸提供了燃料。

Cas说,浑加·汤加-浑加·哈培火山的喷发是不寻常的,因为它结合了通常不常见到的特征。火山学家还知道其他发生在水下或冰雪下与水结合的火山喷发的例子。科学家们还看到了高耸入云的极高的火山喷发灰柱。但是浑加·汤加和浑加·哈培是两种情况同时发生的一个独特例子。他说,它可能最终会成为一种新认识的喷发类型的原型。

大多数海底喷发不会产生特别高的灰柱。例如,2012年,新西兰北部的阿弗尔火山(Havre volcano)大规模深海喷发,产生了大量轻质浮石。那次喷发发生在900多米深的地方。田纳西州纳什维尔范德比尔特大学(Vanderbilt University)的火山科学家克里斯汀·佛里亚(Kristen Fauria)说:“我们很少看到大规模的羽状熔岩侵入海洋表面。

然而,浑加·汤加-浑加·哈培火山喷发的灰柱上升到至少30公里的高度,很好地进入了上层大气,或者说平流层。这一比例如此之高,以至于研究人员一直在努力弄清楚它可能产生的长期影响。高分辨率的卫星图像使他们能够比1991年更详细地追踪火山灰、气体和某些化学物质是如何在大气中漂移的,当时菲律宾的皮纳图博火山(Mount Pinatubo)喷发的威力甚至超过了浑加·汤加-浑加·哈培火山。位于奥伯法芬霍芬(Oberpfaffenhofen)的德国航空航天中心(the German Aerospace Center)火山专家安雅施密特(Anja Schmidt)说,我们从未见过这样的事情。

Satellite image shows volcanic cloud following an explosive eruption of Hunga Tonga–Hunga Ha'apai volcano.

汤加火山没有像其他火山一样释放出足以改变全球气候的二氧化硫。据估计,这次火山喷发排出了40万吨二氧化硫,而1991年皮纳图博火山喷发排出了近2000万吨二氧化硫。在那次爆炸中,硫形成了硫酸盐颗粒,将部分太阳辐射反射回太空,使地球暂时冷却了近0.5摄氏度。

对这种差异的一种可能的解释是,来自浑加·汤加-浑加·哈培火山的大部分二氧化硫可能在烟羽变得过高之前,就已经从低海拔的灰柱中脱落了。施密特(Schmidt)说,浑加·汤加-浑加·哈培火山确实将火山灰抛到了平流层中,研究人员将寻找任何影响气候的迹象。他们还将观察火山物质是否会对平流层臭氧造成破坏,以及火山爆发释放的大气波是否会影响未来几个月的大气环流模式。

早期的发现可能来自汤加喷发灰柱的气球实验。几个研究小组已经从印度洋的留尼汪岛发射了携带仪器的气球。由美国国家海洋和大气管理局领导的一项这样的努力能够测量火山颗粒,当羽流飘过留尼汪岛时,高达28公里的高度,团队成员Elizabeth Asher说,他是科罗拉多州博尔德环境科学研究合作研究所的大气科学家。这太高了,以至于她希望看到喷发的大气效应比在威力较小的喷发后持续更长时间。

连锁反应

另一个可以重塑火山学的方面是浑加·汤加-浑加·哈培火山释放出丰富多样的波浪的方式,这些波浪在海洋和大气中荡漾。它在世界各地发出的回荡让人想起1883年印度尼西亚喀拉喀托火山(Krakatau in Indonesia)爆发后所看到的情形,新泽西州新不伦瑞克省(New Brunswick)罗格斯大学(Rutgers University)的气候科学家艾伦·罗伯克(Alan Robock)说。上个月的火山爆发引发了大气中的压力波和重力波,以及太平洋周围甚至遥远海洋盆地的海啸波。GPS卫星还探测到电离层所产生的扰动,而电离层是位于位于平流层上方、高于80-90公里的大气层。

现在的挑战是收集足够的数据来完成这个谜题。火山学家通常会用地震仪监测活火山,研究周围地区的地震。目前汤加没有正在执行任务的地震仪,所以自115日火山爆发以来,在浑加·汤加-浑加·哈培火山附近发生的大地震并没有被详细追踪。然而,克罗宁说,现有的数据表明,地震是由新的岩浆上升到地壳中,重新填满被大喷发清空的储层所产生的。

另一个优先事项是调查火山周围的海底,观察自上次调查以来被爆炸或以其他方式改变的水下结构有哪些。克罗宁说,卫星雷达图像表明,火山的顶部已经消退了至少10米。但是,接近火山进行科学调查太危险了。

一些早期的数据可能来自于往返于汤加及其周围的救援船只,比如一艘负责修复连接汤加和斐济的海底电缆的船。这这艘船在火山爆发时被切断国际通讯。电缆可能是被火山侧面的山体滑坡掩埋,或是有几处被切断。

每个人心中最重要的是浑加·汤加-浑加·哈培火山下一步会发生什么。一个国际专家小组正在向汤加地质服务机构(the Tonga Geological Services)提供信息,帮助汤加政府评估风险并决定如何应对。研究人员正在权衡三种可能的情况:火山爆发可能会结束,可能会以低水平持续,也可能会出现另一次大规模爆发。克罗宁说,这些场景都是存在的。

施密特说,不管这座特殊的火山近期的前景如何,这次爆发让火山学家们在更广泛的范围内重新思考海底火山的危害。这是对这类火山存在、构成危险、研究不足的明确提醒。

参考文献:略。




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1 尤明庆

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