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水与火的激荡——汤加火山的故事 精选

已有 5010 次阅读 2022-4-13 18:17 |个人分类:地学科普|系统分类:科研笔记

2022年1月15日17时10分,南太平洋一个很小的岛国汤加发生了一次超级震撼的海下火山爆发,大量的火山渣、火山灰和巨量的水气从洪阿汤加-洪阿哈帕伊岛附近的火山口冲天而起,瞬间喷射到高空,几十分钟内就形成一个由火山灰和水气为主的直径达500千米、主体高度超过30千米、最高达到58千米的伞状云团,包括汤加主岛在内的多个岛屿完全笼罩在令人恐怖的火山灰云之中。主爆发一个小时后,伞状云团直径扩大到650千米,强烈的冲击波更是传遍了整个地球,很快,汤加这个岛国变成了万众瞩目的焦点。

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2022年1月15日,由火山灰和水气构成的伞状灰云

(注意灰云的主体高度超过30余千米,中心部位在周边云团上留下了阴影)

 

强烈的火山爆发8分钟后,火山爆发引起海啸并迅速波及到周边所有岛屿,远在数千千米之遥的美国、日本等纷纷发出了海啸预警。整个汤加只有一条光缆连接首都努库阿洛法和800多千米外的斐济。强烈的火山喷发以及喷发次生的海底滑坡与海啸在几分钟内就将这条光缆破坏,汤加随即与外界彻底失联。此时此刻,拥有10万多人口的汤加怎样了?有多大的人员伤亡和财产损失?爆发中心所处的火山岛是否被巨大火山爆发而摧毁?

由于信息不畅,加上许多科学问题不可能迅速得到解决,一时间产生了各种疑惑:汤加近期是否还会有大的火山喷发?这次火山爆发规模到底有多大?对地球环境的影响程度如何?是否会引起大范围的环境灾难和全球气候变化?是否会有无夏之年?是否会触发太平洋甚至全球其他地区的多个火山大爆发?洪阿汤加-洪阿哈阿帕伊岛曾经被称为地球上最年轻的陆地,也被科学家称为最像火星的地方,在这次大爆发之后变成了什么样?

 

令人惊恐的爆发过程

这次汤加火山大爆发的中心位于汤加首都努库阿洛法市西北约70千米处的洪阿汤加-洪阿哈帕伊岛。2021年12月20日,这个岛的火山开始爆发,大量的火山喷出物被喷射到平流层中,远在70千米外的努库阿洛法市可以看到以火山灰为主的烟柱,170千米远的人员可以听到爆炸声。汤加的地质学家Taniela Kula全程监测着这个喷发过程,几乎每天把喷发情况以简报的形式公布在新西兰电台(RNZ)的网页上。12月25日的卫星照 片上可以看到洪阿汤加-洪阿哈帕伊岛的面积因为这次喷发而明显增大了。2022年1月11日,已经观察不到明显的喷发,汤加地质部门宣告火山进入休眠状态。1月14日,火山再度爆发,形成的火山灰云高达 20千米,汤加政府随即发布了海啸预警。然而,这些都只是这一轮火山活动的序曲。

1月15日下午5时刚过,真正的大爆发开始了, 于是出现了本文开头描述的那种惊天地、泣鬼神的景象。根据目前的数据,如果简单地根据火山喷出物的体积计,它不算是规模很大的爆发。然而,从喷发的剧烈程度上讲,这次汤加火山大爆发确有许多独特之处。

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2022年1月14日的火山喷发(主爆发的前奏)

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2021年12月的火山喷发

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2022年1月15日洪阿汤加-洪阿哈帕伊火山爆发的过程(图像来源:NASAGOES-17号气象卫星)

超强的爆发能量

本次汤加火山的喷出方式一般认为属于普林尼式(实际已经达到了超普林尼式喷发),通常这种类型的火山喷发持续时间为4-100个小时,典型实例有1912年阿拉斯加的诺瓦鲁普塔(Novarupta)火山喷发,喷发时间为60小时, 火山喷出物为31立方千米,平均每小时喷出量为0.52立方千米,火山喷发柱的高度为33千米; 1980年美国圣海伦火山(Mount St. Helens)喷发时间为9小时,火山喷出物为1立方千米,平均每小时喷出物为0.11立方千米,火山灰云的高度为24千米;1991年皮纳图博火山(Mt Pinatubo)的喷发时间也为9小时,喷出物为13立方千米,平均每小时喷出物为1.44立方千米,火山喷发柱的高度为40千米。而1月15日汤加火山的主喷发时间只有10分钟,喷出物为0.5立方千米,如果同样的喷发过程持续一个小时,喷出物总量将达到3立方千米。火山喷发柱突破了平流层50千米的上限, 最高到达了58千米。

汤加火山大爆发时引起大气层异常震动,700千米以外的斐济和840千米远的萨摩亚居民都听到了强烈的爆炸声。一位斐济的网友说:“听到了四次震耳欲聋的爆炸声,房子、地面都有震动。前两声以为是雷电,第三声后才知道来自远处”。当火山爆发时的轰鸣声传到2300千米远的新西兰时,当地人起初也以为是新西兰本地发生了爆炸或地震。更令人难以置信的是, 7个多小时后,约10000千米远的美国阿拉斯加的居民也听到了这次火山爆炸的声音。NOAA的卫星则在太空中监测到了火山爆发后强烈的冲击波在地球上空传动的影像。日本和美国犹他州都监测到了4次冲击波经过的记录。美国地质调查局的地震台网监测到这次火山爆发的表面波能量相当于5. 8级地震。《全面禁止核试验条约组织》的地球物理学家罗南•勒布拉斯说:“爆炸产生的冲击波非常强大,遍布全球的53个探测器都检测到了汤加火山爆发时产生的次生波,每个台站都检测到了这种次生波,但都没有检测到任何由这次火山爆发引起的放射性。”火山喷发时,大量的火山尘埃和水气在空中互相摩擦,瞬间产生大量电荷,随即产生大量的闪电。当火山尘埃中夹杂的大量水气升高到特定高度时冻结成冰晶,细小的冰晶颗粒间的摩擦,也会产生电荷,进而形成闪电。1月15日汤加火山爆发后的第一个小时内产生闪电20万次, 前6小时内产生40万次。

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从单位时间内火山喷出物的数量、火山灰云的分布范围和最大高度、冲击波和次生波的传播特征、产生的闪电数等多项指标来衡量,本次汤加火山大爆发创下了多项纪录。

不同机构和专家根据火山云团的规模和高度以及触发的海啸等特征对这次火山爆发的规模做出了多个不同的判断,但一致认为这次喷发能量巨大,主爆发时释放的能量相当于1945年投放在日本广岛原子弹威力的500倍至1000倍,是1991年菲律宾皮纳图博火山爆发以来全球最大的一次火山爆发,火山爆发向平流层注入的二氧化硫气体为40万吨,可能会导致南半球的年平均气温降低0.1-0.5摄氏度左右。综合考虑火山爆发喷出物质的数量、火山灰云的高度等指标,绝大多数研究者认为本次汤加火山的爆发指数(VEI)为5级。根据近日中国科学院大气物理研究所等单位的最新研究成果,汤加火山爆发会使2023年的全球平均地表温度下降0.004摄氏度,中国大部分地区降温在0.01摄氏度以内,不会对全球气候产生显著影响,但值得进一步跟踪评估。


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汤加王宫及汤加海岸火山爆发前后照片

强烈的火山爆发,又一次改变了火山岛的地貌格局

就在十几年前,洪阿汤加岛与洪阿哈帕伊岛还是两个彼此独立的海岛。从天空俯瞰,两个小岛很像汉字的“八”字并列在海上,两岛间最近的距离约1.7千米。实际上两个小岛均坐落于一个直径7千米、高度超过1800米的巨型火山口的边沿,巨型火山底座的直径超过20千米。2014 年12月19日开始,海面下的火山开始喷发,10天后的卫星照片中可以看到火山喷发柱。2015年1 月11日,火山活动进入新阶段,喷发的烟柱达到9千米高。又经过多次喷发,大量火山物质堆积到两个小岛中间。到2015年1月16日,海面上已经形成了一个2千米长、1千米宽、100多米高的火山碎屑堆,基本上把两个小岛连成了一体,从此一个全新的海岛诞生了,两个小岛的名字连在一起就构成了新的岛名。2015年1月19日,在明显的火山喷发结束后24小时,汤加和新西兰的地质学家们登上了新岛。2017年6月,法国两位探险家Cécile Sabau和 Damien Grouille登陆该岛,进行了取样、测量和拍摄工作,此举引起美国航空航天局的James B. Garvin博士的关注,他认为洪阿汤加-洪阿哈帕伊岛像极了火星的环境,是研究火星的绝佳基地。令人惊奇的是,这个全新的小岛在几个月内就被植物和鸟类占据。


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2015年至2022年1月15日大爆发前的洪阿汤加-洪阿哈帕伊岛

 

然而,这样一个鲜活的样本在2022年1月15 日被这次的大喷发画上了一个遗憾的句号,洪阿汤加-洪阿哈帕伊岛从此一分为二,重新回到了数年前的状态。由此可以相像,要经历多少类似的过程才能够形成海面下1800米高的巨型的火山!

事实上,科学家早已注意到汤加周边的火山。这是一个由30多个类似的火山构成的火山群岛,地质学家称其为汤加-克马德克群岛火山弧。它位于汤加国西侧,沿着近南北方向呈带状分布, 与汤加国东侧的汤加海沟平行,是太平洋板块与澳大利亚板块相向运动造成的。东侧的太平洋板块向西俯冲到澳大利亚板块的下方时,把大量洋底沉积物和部分海水一并带到地下深处,沉积物中的水分以及部分海水在特定压力温度条件下, 与地下深部的矿物结合,会大大降低深部矿物的熔点,从而迅速提高深部岩石变成岩浆的速度,促使岩浆冲破重重阻力喷出地表,形成火山。这就是为什么汤加-克马德克群岛总体上呈带状分布的原因。


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洪阿汤加-洪阿哈帕伊岛火山爆发前后对比图及形成示意图

注意:图示上方的两幅卫星照片来自中国的自然资源卫星


岩浆形成后,在上涌过程中,会在地下空间滞留、聚集。在这个过程中,如果刚好有适量的海水混入并汽化,当岩浆突破上覆岩层的压力喷出时,会迅速与岩浆形成合力,呈异常剧烈的爆炸式喷发。洪阿汤加-洪阿哈帕伊岛的这次异乎寻常的剧烈喷发就是这个原因,尽管喷发物体量很小,但喷发柱却异常之高。如果上覆的海水过深或过浅、岩浆中混入的海水过多或过少, 都不会出现这种极端特殊的爆发方式。显然,对此类火山爆发的详细研究对于了解深部地质过程和减灾防灾均有极大的益处。洪阿汤加-洪阿哈帕伊岛不愧是研究地球内外动力过程的绝佳场所。


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汤加海沟—火山弧成因示意图


汤加火山带来的直接灾害

此次汤加火山大爆发对全球的直接影响不大,但对于汤加人民来说则是一场刻骨铭心的灾害。

剧烈的爆发仅仅持续了10 分钟左右,但随后小规模的喷发断断续续进行了11个小时,当时,谁也不知道是否还有更大的喷发或不测。此时此刻,笼罩在火山灰云之下、伴随着震耳欲聋的炸裂声、雷鸣声的汤加人民才是真正置身于水深火热的困境之中。用什么样的语言能够表述当地人民那种心境呢?惊悚、惶恐、魂飞魄散,都不能完全表达人们复杂而无助的心情。

火山爆发引发的海啸在汤加首都所在地—汤加塔布岛产生了1.2 米高的海啸,使汤加遭到重创。千万不要小看这1.2米的海啸,它的能量比正常的波浪要高得多。根据2月14日世界银行的数据,海啸摧毁了汤加600余处基础设施,其中包括300 多所居民住房,还造成至少3人死亡(包括一名英国人)。伴随着惊天动地的炸裂声和持续数小时的电闪雷鸣,首都努库阿洛法下起了以火山灰和火山渣为主的“灰雨”(ashfall),距离日落还有两个小时,白昼秒变黑夜。灰雨过后,努库阿洛法被20毫米厚的火山灰覆盖,多彩的大地和建筑统统失去了颜色,所有露天的水源都遭到了火山灰的污染。


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火山-海啸之后的汤加


在汤加遭遇天灾的时候,中国政府的表现可圈可点。得知这次火山大爆发后,中国红十字会迅速向汤加政府提供了10万美元紧急人道主义现汇援助。并通过驻汤加使馆,以最快速度筹措了一批饮用水、食品等应急物资,于19日交付汤加。这是灾害发生后汤加政府收到的首批应急援助物资。1月24日,中国驻斐济使馆和一部分在斐济的中资企业捐赠给汤加100万元的饮用水、食品、发电机、水泵、电锯、个人防护和医疗用品等救灾物资。

在汤加火山大爆发之后,国内相关的科研人员和技术部门也迅速采取了相应的行动。刘嘉麒院士等多位不同学科的科研人员通过多种媒体举行了各种科普讲解和答疑。2022年1月18日火山大爆发之后,汤加还处于基本失联的状态时, 自然资源部国土卫星应用中心就已经获得了中国卫星拍摄的影像。本文中2019年火山大爆发之前的照片也是该中心利用国产卫星拍摄的。1月16 日上午,中国电科38所在第一时间利用“海丝一号”SAR卫星对火山喷发的重点区域进行了应急拍摄,并分别于北京时间1月16日、1月17日,连续两次成功获取汤加王国首都努库阿洛法地区与汤加王国洪阿汤加-洪阿哈阿帕伊火山地区的灾后SAR卫星影像。事实说明中国的卫星在这次汤加火山大爆发中的表现也是不错的。

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汤加首都努库阿洛法火山喷发前后对比图(照片来源:高分七号卫星)

 

火山爆发强度的评测指标:火山爆发指数(VEI)

受地下岩浆的物质成分、形成过程、爆发环境等多因素影响,火山爆发的规模和方式各有不同。为了便于比较地史时期火山的爆发威力,美国地质调查局(USGS)的克里斯•纽豪尔(Chris Newhall)和夏威夷大学的斯蒂芬•塞尔夫(Stephen Self)参照地震震级的表示方法,于1982年提出了一个判别火山爆发强度的指标,将一次火山爆发喷出的固体物质体积、火山灰云(又称为火山喷发柱)的高度和分布范围、火山喷发的持续时间等因素综合起来,建立了一个半定量的火山爆发强度指标,称为火山爆发指数(Volcanic Explosivity Index,简称VEI)。地下岩浆喷出地表的过程既有爆发式,也有比较平静的溢流式以及二者间的过渡类型。VEI主要是用来描述爆发式火山的指标,相邻两个级别之间是指数关系,每增加1级表示火山爆发的能量增大10倍,最高为8级。在现有条件下, 判别地史时期火山爆发级别最简单可行的方法是测量火山喷出物的体积(分布范围和厚度)。1815年印度尼西亚的坦博拉火山爆发, 喷出的火山物质总量介于160-213立方千米之间,火山灰随着大气流动散布全球,导致全球平均温度下降约0.5摄氏度,引发了世界多地的极端天气,造成全球粮食减产,1816年也因此被称为“无夏之年”。

 

致谢:感谢自然资源部咨询研究中心高平老师对本文给予的资料支持和审读指导。感谢首都师范大学刘永顺副教授对本文给予的专业指导和帮助。


以下链接为《地球》杂志原文,与本博文稍有不同。

水与火的激荡 ——汤加火山的故事(终稿).pdf




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