“奇异”的汤加火山爆发将载入火山学史册︱《自然》长文

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“奇异”的汤加火山爆发将载入火山学史册︱《自然》长文

Original Nature Portfolio Nature Portfolio  2022-03-18 23:40

原文作者：Alexandra Witze

1月15日汤加火山爆发产生的冲击波范围波及全球，超乎科学预期。研究者现在正忙着搞清原因。

1月15日摧毁汤加的火山爆发只持续了11个小时，但科学家得花费今后数年去研究这次灾难性大爆发的细节——以及它对未来火山爆发风险意味着什么。

洪阿哈阿帕伊岛火山灰柱直抵高层大气，引发的海啸冲毁了汤加附近岛屿的房屋，喷发的回响绕了地球几圈。

多颗地球观测卫星记录了洪阿哈阿帕伊岛火山爆发的情景。图：Visible Earth/NASA

多颗先进地球观测卫星捕捉到了这次爆发，它的非凡威力挑战了火山爆发的相关物理学理论。研究人员很难解释为何火山将云层送上如此高度，但喷出的火山灰却少于该规模下预期。火山喷发在大气和海洋中激发的冲击波，也不同于现代科学所知。

洪阿哈阿帕伊岛（Hunga Tonga–Hunga Ha‘apai）火山喷发，促使科学家重新审视太平洋洪涛巨浪之下的火山所带来的危险。

新西兰地质与核科学研究所（GNS Science）的火山学家Nico Fournier说：“这就像撕掉了掩盖无知的绷带，揭露出我们对水下发生的事情非常缺乏认识。”

火山大爆发前一日，汤加科学家观测到小规模喷发。图片来源：Tonga Geological Services/ZUMA Press

新岩浆引发的危险

这次火山喷发距离汤加首都努库阿洛法仅65千米，对汤加超过10万居民而言是一场巨大的灾难。他们正在努力清除每样东西上覆盖的厚厚火山灰，恢复清洁饮用水供应，补救近3900万潘加（1700万美元）的作物损失。至少有三人不幸罹难。他国救援船只抵达后，汤加出现第一批新冠感染病例，令局势雪上加霜。

然而该地区地震不断，火山的危险或许还没结束。初步研究表明，1月15日的火山灰源自地球内部喷出的新岩浆。洪阿哈阿帕伊岛火山或将保持活跃，对汤加民众的影响尚不确定。

未来风险几何，地球科学家预测能力有限。华盛顿特区史密森学会全球火山活动计划（Smithsonian Institution’s Global Volcanism Program）的火山学家Janine Krippner说：“局势艰难，大家都希望利用火山学知识给当地人更多帮助，但现在还很难实现。”目前Janine Krippner正在新西兰工作。

洪阿哈阿帕伊岛火山主体位于水下，高约2000多米，是汤加-克马德克火山弧的组成部分。这一串大部分位于水下的火山下方正是巨大的地质碰撞带，太平洋板块西缘在此俯冲至印澳板块之下。太平洋板块边缘下沉的同时受热升温，熔岩涌升至汤加-克马德克火山弧内部。

地质学证据显示，洪阿哈阿帕伊岛火山大约每隔一千年就会发生一次大爆发，最近两次分别为公元200年和1100年。过去一个世纪里，1937和1988年曾发生小规模喷发。当时，火山顶部升出海面，形成了两个小岛，即洪阿汤加岛和洪阿哈阿帕伊岛。

2009年，洪阿哈阿帕伊附近火山喷出火山灰与蒸汽。2014年12月至2015年1月，又一次喷发形成新的陆地，将两座岛屿连为一体[1,2]。

新岛形成不久，几个研究小组就前去考察，采集火山灰和岩石样本，相关地球化学分析结果发表在Lithos上[3]。论文指出，2009年和2014至2015年火山喷发的熔岩，并非近期从地幔深层涌升。

这些熔岩曾在一个地质中转站停留了一段时间——一处地壳下5至8千米深处的岩浆房。岩浆在此处发生了一些化学变化，如同葡萄酒在桶中陈化，而后才喷出地表。

今年1月喷发的岩浆则与此不同。新西兰奥克兰大学（University of Auckland）火山学家Shane Cronin及同事分析了军方救援人员在汤加最大岛屿机场附近收集的火山灰。化学分析结果与2014至2015年喷出的火山灰不同。Cronin指出，这些岩浆涌升速度很快，并未在地下岩浆房中经历长时间的化学反应。

洪阿哈阿帕伊岛火山喷发前的汤加塔布岛（Tongatapu），及其被火山灰覆盖后的变化。图：Maxar via Getty

汤加地质局的地质学家Taaniela Kula及同事一直在收集汤加各岛上的火山灰，Cronin等人的样本也来源于此。研究人员对不同岛屿的火山灰进行分析，研究其厚度和分布范围，以更好地了解喷发的发展情况。

令人惊讶的是，就爆发的规模来说，喷发出来的火山灰似乎有点少。这可能和洪阿哈阿帕伊岛火山喷发的环境有关：它位于水下，但水深较浅。

水的影响

深海火山的喷发很少能通过海洋表面发生大爆发，因为水下压力会阻止火山爆发时气泡形成及爆发力增长。然而，1月15日喷发的洪阿哈阿帕伊岛火山口深度在几十米到250米之间，水深相对较浅，不足以抑制爆发的威力；但在这个深度，喷出的岩浆又能遇到大量海水。

水受热后迅速气化，体积膨胀，增加火山爆发的威力。加州大学伯克利分校的地质学家Michael Manga说，在这个过程中，岩浆的热能有效转化为火山喷发的动能，“部分极具威力的火山喷发就是在水下形成的”。

另一个重要因素是岩浆喷发前混入了多少火山气体。澳大利亚莫纳什大学名誉教授、火山学家Raymond Cas说，1月15日火山爆发时，涌升的岩浆富含气体，大量气泡可能增加了爆发的威力。

Cas说，洪阿哈阿帕伊岛火山爆发不同寻常，它集合了多种不常同时出现的现象。火山学家研究过水下或冰雪下的火山喷发，水在其中发挥重要作用。科学家也曾观测到高耸入云的火山喷发柱。然而，洪阿哈阿帕伊岛火山喷发同时具有这两种特征。Cas说，它可能会被定义为某种新的喷发类型。

大多数海底火山喷发柱高度有限。例如，2012年，新西兰北部的深海哈弗尔火山大爆发，形成大量轻质浮石[4]，爆发发生在超过900米的深处。美国田纳西州范德比尔特大学的火山科学家Kristen Fauria说：“大型喷发柱突破水面的情况比较少见。”

然而，洪阿哈阿帕伊岛火山喷发柱高度至少为30千米，进入高层大气（平流层）。这个高度让研究人员竞相投入研究，探讨其可能会有的长期影响。借助高分辨率卫星图像，研究人员得以追踪火山灰、气体及某些化学物质如何在大气中输运，了解到比1991年菲律宾皮纳图博火山爆发更丰富的细节（皮纳图博的爆发威力比此次汤加更大）。德国航空航天中心（German Aerospace Center）的火山学家Anja Schmidt说：“我们从未见过这样的现象。”

日本向日葵8号（Himawari-8）卫星拍摄的洪阿哈阿帕伊岛火山灰云图片。图：EyePress News/Shutterstock

不同于其它火山爆发，汤加火山喷发的二氧化硫相对较少，尚不足以影响全球气候。此次二氧化硫排放量约为40万吨，而1991年皮纳图博火山喷发排放了近2000万吨。由于二氧化硫会形成硫酸盐颗粒，将部分太阳辐射反射回太空，皮纳图博火山喷发使地球温度短期内下降了0.5°C。

洪阿哈阿帕伊岛火山喷出的二氧化硫，可能多在火山柱抵达高空前即已“逸出”，这或可解释上述差异。Schmidt说，洪阿哈阿帕伊岛火山确将火山灰送上了平流层，科学家将研究气候是否受此影响。他们还将监测火山喷发物是否对平流层臭氧造成破坏，以及未来数月中火山爆发引起的大气波动是否会影响大气环流。

早期发现可能会来自于向喷发柱中释放的气球。一些研究小组从印度洋留尼汪岛上释放了携带仪器的气球，其中一组由美国国家海洋和大气管理局（US National Oceanic and Atmospheric Administration）领导，团队成员、科罗拉多州环境科学合作研究所（Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences）的大气科学家Elizabeth Asher介绍说，随着喷发柱扩散到留尼汪岛，这些气球能测量28公里高空的火山颗粒物。考虑到这个高度，她预期此次火山喷发的大气效应会比那些威力较小的喷发更为持久。

涟漪效应

这场火山爆发在海洋和大气中引起多种波动的方式，是另一个可能重塑火山学的方面。美国罗格斯大学（Rutgers University）的气候科学家Alan Robock说，此次喷发波及全球的回响，类似1883年印度尼西亚喀拉喀托火山爆发的情形。上个月的喷发引发了大气层中的压力波和重力波，以及传遍太平洋（包括遥远海盆）的海啸波（参见：汤加火山喷发后的神秘现象）。GPS卫星在电离层中也观测到扰动。电离层位于平流层之上，层底高度约80至90千米。

Fournier说：“我们目前掌握了大量的拼图碎片，但还看不出全貌。”

Cronin说，现在的挑战是如何收集足够的数据来完成拼图。火山学家通常会用地震仪监测活火山，研究周边地区的地震。然而汤加周边尚无激活的地震仪，因此未能获知1月15日火山爆发以来洪阿哈阿帕伊岛火山周围地震的细节。Cronin介绍，现有数据表明，火山爆发喷出大量岩浆后，新岩浆朝地壳涌升进行补充时引发了地震。

火山周围海底地形变化也是调查的重点，目的是弄清楚自上次调查以来哪些水下结构已消失或发生变化。Cronin说，卫星雷达图像显示，火山顶部至少下沉10米。然而，现在对火山进行现场调查还过于危险。

前往汤加及其周边地区的救援船可能会提供一些早期的数据，例如负责修复汤加和斐济之间海底电缆的船只。电缆在火山喷发中受损，国际通讯中断。电缆可能被火山侧体滑坡掩埋，或被切断数处。

所有人最关心的还是洪阿哈阿帕伊岛火山接下来会如何。国际专家为汤加地质局提供信息，帮助政府评估风险并决定未来举措。研究人员正在评估三种可能的情况：喷发结束，小规模喷发，或出现另一次大规模爆发。Cronin说：“这些情况都可能出现。”

Schmidt说，不管这座火山近期如何演变，火山学家都要重新广泛审视海底火山的危害。“此次火山爆发警示我们，海底火山存在并构成威胁，而我们对它们的研究还不足。”

参考文献：

1. Cronin, S. J. et al. Eos https://doi.org/10.1029/2017EO076589 (2017).

2. Garvin, J. B. et al. Geophys. Res. Lett. 45, 3445–3452 (2018).

3. Brenna, M. et al. Lithos412–413, 106614 (2022).

4. Carey, R. et al. Sci. Adv. 4, e1701121 (2018).

原文以Why the Tongan eruption will go down in the history of volcanology为标题发表在2022年2月9日《自然》的新闻特写版块上