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链式反应催生了史无前例的汤加火山大爆炸

知社学术圈

2022-06-27 18:32山西

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北京时间2022年1月15日,位于南太平洋岛国汤加王国境内洪阿哈阿帕伊岛海底火山发生了猛烈喷发,是30年来地球上规模最大火山喷发之一,喷发产生的海啸波及了整个太平洋地区,甚至在一万七千公里外的地中海都引起了小型海啸。有目击者称,在几十公里外听到了像战场一样连绵的炮火声和类似鞭炮的连串响声,这令很多火山学家感到困惑,因为这与他们在其他火山喷发时听到的声音差别极大。

汤加洪阿哈阿帕伊火山喷发产生了有记录以来最大的大气爆炸。

图源:NASA/GOES/NOAA/NESDIS

卫星数据显示,这次喷发引发了一种不寻常的大气重力波模式,图像中出现了数十个同心圆,每个同心圆都显示了在大气气体中的快速移动的重力波,传播范围超过16000公里,高度从海面直达电离层,这在以往的火山喷发图像中是从未见过的情况。

不同寻常的响声和图像,所有这些在几分钟之内突然发生,很快结束,但是爆炸威力却极其巨大,这种模式让许多科学家感到困惑。5月26日在维也纳举行的欧洲地球科学联盟 (EGU) 会议上发表一项研究表明,这是可能是一次大规模的“链式反应”。

新西兰奥克兰大学的火山学家 Shane Cronin 的研究小组在喷发后的破火山口海面上方,使用声纳绘制了这座破火山口现在的结构图。他们发现,这个直径四公里的破火山口到海面的距离从不到200米下降到了现在的850多米——这意味着600多米厚的岩石不见了。

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研究人员绘制的火山喷发后形成的破火山口。

图源:Shane Cronin/奥克兰大学和 Taaniela Kula Tonga Geological Services

Shane Cronin 估算约有6.5立方公里的岩石被炸飞了,而爆炸的原因可能是喷发开始时大量岩浆和海水之间的相互作用:火山开始喷发时,岩浆与海水之间薄薄的岩石层首先被破坏了,然后20℃的海水和1100℃的岩浆就发生了“亲密接触”,如此大的温差意味着海水瞬间成为蒸汽,千倍以上的体积增加引发了爆炸。而爆炸则将包裹着岩浆的岩石炸飞,从而导致海水进入了火山更深的地方,与岩浆接触的面积急剧增大,带来了更猛烈的爆炸……

而当初不到200米深的火山口也形成了某种巧合:在这个深度水压难以压制爆炸产生的威力,但是这个水压又足够让海水快速渗入岩浆缝隙,引发两者更多的相互作用,这就是现场目击者听到的数次大爆炸和数百次较小的爆炸的来源。奥克兰大学的地质工程师 Joali Paredes-Mariño 也从另一个角度佐证了这种推论,在喷发后从汤加附近收集到的火山灰颗粒非常细小,这是岩石和岩浆被爆炸产生的冲击波给打碎的。

美国国家海洋和大气管理局的 GOES-West 卫星捕获了这次爆炸性喷发的图像。

图源:美国国家海洋和大气局

大爆炸对周围环境的影响极具破坏性。新西兰国家水与大气研究所的一个团队在火山周围的海底采集了火山灰样本,结果表明,火山喷发之后很可能出现了剧烈的火山碎屑流,炽热的火山灰和熔岩流从火山口被炸开的一侧倾泻而下,汹涌的热火山灰将周围的海床变成了“毁灭一切”的白色沙漠,大量海洋生物死亡,附近的海底电缆也被撕裂。该团队目前正在研究海洋氧气水平和海洋酸化的程度,他们认为,目前沉积物的毒性足以让细菌都难以生存。

图源:日本气象厅

虽然汤加火山喷发已经过去了几个月,但是其对全球大气层的影响依然存在。美国宇航局喷气推进实验室的 Luis Millán 发现,火山喷发的水蒸气羽流高达53公里,进入了平流层。这种羽流使平流层的水蒸气含量增加了146太克(1.46亿吨),约为水蒸气/strong>总量的10%,并且可能会在大气中至少保留一年,这个比例的增加可能会导致今年全球降雨量的增加,引发世界各地的洪水灾害。

参考文献:

1.https://www.nature.com/articles/d41586-022-01544-y

2.https://www.nature.com/articles/d41586-022-00127-1

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