汤加火山喷发≈1000枚广岛原子弹, 究竟会造成什么?

学术头条·2022-01-18 18:52
这场千年难遇的火山爆发,会对全球产生什么影响?

1 月 15 日下午 5 点 10 分,汤加主岛以北约 50 公里处发生了千年一遇的海底火山喷发,迅速膨胀的火山灰像蘑菇云一般直冲云霄。 20 分钟后,致命的海啸袭来,巨浪将建筑物和道路通通淹没。 

图 | 2019 年 4 月 30 日汤加火山岛·洪阿哈阿帕伊岛卫星影像 

图 | 2022 年 1 月 17 日的高分一号所采集汤加火山岛岛屿影像,图中红色区域为原岛屿所在地 

(来源:新华网) 

这次火山喷发引发了 7.4 级的地震,火山灰蘑菇云的宽度接近5公里。火山喷发引发的声波以每小时 1200 公里的速度在太平洋上蔓延,而伴随火山灰而来的,还有每秒钟近 100 次的闪电。从新西兰、秘鲁到美国西岸,环太平洋国家纷纷发出海啸预警。诺贝尔物理学奖获得者 Brian Schmidt 及其在澳洲国立大学的同事,地球科学家 Richard Arculus 撰文表示,这次火山喷发的能量大概相当于 1000 枚广岛原子弹。目前汤加人员伤亡人数依然不详。

他们推断,这个高约 1800 米,宽约 20 公里的水下火山将自己炸的不轻。爆炸的巨大威力很可能在地球表面形成了一个暂时性的大洞,海水冲进洞里,然后从喷口径向反弹。 

他们推断,这个高约 1800 米,宽约 20 公里的水下火山将自己炸的不轻。爆炸的巨大威力很可能在地球表面形成了一个暂时性的大洞,海水冲进洞里,然后从喷口径向反弹。

新西兰空军侦查机 P-3K2 Orion 传来的最新图像显示,汤加 Nomuka 岛已经被厚厚的火山灰所覆盖。由于火山喷发切断了汤加和外界连接所需的 872 公里电缆,目前通讯依然中断。 

汤加 Nomuka 岛被火山灰覆盖 | 来源:New Zealand Air Force P-3K2 Orion

汤加火山喷发 101

目前全球大约有 1500 座活火山。奥克兰大学地球科学家 Shane Cronin 的研究显示,这次喷发的汤加海底火山位于 Hunga-Ha’apai 和 Hunga-Tonga 两座小岛之间,在过去十年内一直有小型喷发。在附近岛屿的沉积物中,Cronin 团队曾发现了这座火山过去两次大规模喷发的证据。研究人员将这些火山灰与 65 公里外汤加塔普岛上的火山灰沉积物进行了化学匹配,然后使用放射性碳测年确定,这座火山最近一次的大型喷发发生在公元 1100 年,也就是一千年前。

汤加火山活跃的主要原因首先是太平洋板块在澳大利亚构造板块中的下沉。当板块下沉到地幔的超热岩石中时,里面的水被涌出,上升到上面的地幔中。这使得地幔被融化形成粘性的充满气体的岩浆,为爆炸性的喷发提供了条件。 

Shane Cronin 研究团队绘制的声纳火山地形图 | 来源:Shane Cronin

Cronin 表示,通常情况下即使岩浆的温度达到 1,200 ℃,在缓慢上升到海水的过程中也会形成一层薄薄的蒸汽膜。这层薄膜会让岩浆的外表面冷却,形成绝缘体。

但是,当岩浆从充满火山气体的地下极速喷出时,海水的冷却作用就失效了。当岩浆迅速进入水中时,任何蒸汽层都会迅速破裂,使高温岩浆与冷水直接接触。

火山研究人员称这种现象为“燃料-冷却剂相互作用”,类似于武器级的化学爆炸。极其猛烈的爆炸将岩浆撕裂形成了新的连锁反应。更多岩浆碎片将更加炎热的内部表面暴露在水中,爆炸重复发生,最终喷射出火山颗粒,导致超音速爆炸。 

在 1100 年的大喷发后,这种火山一直在深处堆积熔岩。随着火山几乎被填满,少量的岩浆从火山中泄漏出来。一旦超过负荷,大量的岩浆结晶就会开始推动气体压力上升,且速度太快,无法通过小喷发释放出来。当巨大的岩浆供应找到一个开口时,它会猛烈地减压。 

这次的喷发并非毫无预警。英国布里斯托尔大学(University Of Bristol)的火山学家Sam Mitchell 表示,2021 年 12 月 19 日这座火山曾有一系列爆炸,并形成了高约 1 万 6000 米的烟灰柱。但当时的科学家们并未在意,因为对于一座海底火山来说,它“没有什么不寻常的”。 

宙斯闪电长矛

事实证明,“没有什么不寻常的”并不是这座火山的宿命。随着爆炸越来越强,从其烟灰柱中冒出的闪电数量让任何一次火山喷发都相形见绌。

火山之所以会产生闪电,是因为火山灰柱中的颗粒相互碰撞,或者撞到大气中的冰块上,从而产生电荷。正负电荷被分开,从而引发一道道闪电。

最初,汤加火山的闪电是由总部位于芬兰的气象公司Vaisala探测到的。它们开发的 GLD360 网络可以用无线电波“喷发”的形式“听到”闪电。在最初的两周里,系统记录到其每天几百或几千次 的闪电,确实没有什么不寻常的。“我猜它是在清清嗓子,” Vaisala 的气象学家 Chris Vagasky 说。

但到周五晚些时候和周六早上的时候,汤加火山在一小时内制造了 20 万次闪电。相比之下,2018 年印尼 Anak Krakatau 火山喷发在一周内只制造了34万次闪电。

“我简直不敢相信我看到的数字,” Vagasky 说,“在火山爆发时,你很少能看到这种情况。昨晚的地球没有任何一个地方有这么多电。”

国家地理认为,从远处看这些闪电可能很壮观,但近距离感受时好似世界末日。电闪雷鸣之下火山在发出无尽的怒吼,宙斯的闪电长矛不断击中地面和海洋。这对在汤加其他岛屿上的任何人来说都是极其危险的。

那么,为什么这次火山喷发的闪电会打破记录呢?

新墨西哥州 Los Alamos 国家实验室的火山声学研究员 Kathleen McKee 说,水的存在总是会增加闪电的几率。当岩浆与浅层水混合时,水被猛烈加热和蒸发,将岩浆炸成数百万小块。粒子越丰富、越细,产生的闪电就越多。

慕尼黑大学(Ludwig Maximilian University Of Munich)的实验火山学家 Corrado Cimarelli 也对国家地理表示,喷发产生的热量很容易将水蒸气输送到更冷、更高的大气中,在那里变成冰。这为火山灰的碰撞和发电提供了大量的额外颗粒。 

汤加火山爆发卫星图 | 来源:EPA

汤加的未来

周六早上,卫星图像显示两座汤加小岛中间的海域已经被厚厚的火山灰完全覆盖。对于这次喷发造成的全球海啸, 科学家依然未能找到确切原因。西华盛顿大学贝灵汉分校(Western Washington University in Bellingham)的地震学家和火山学家 Jackie Caplan-Auerbach 说,爆炸涉及的能量实在是“令人震惊”。

Shane Cronin 在最近的一篇博客文章中补充说,这座火山在上一次喷发后补充了它的岩浆库。在 1100 年的大喷发后,火山的深处一直在堆积熔岩。随着火山几乎被填满,少量的岩浆从火山中泄漏出来。一旦超过负荷,大量的岩浆结晶就会开始推动气体压力上升,且速度太快,无法通过小喷发释放出来。当巨大的岩浆供应找到一个开口时,它会猛烈地减压。 

对于这次喷发的影响,气候学家 Jim Salinger 认为空气中释放大量的二氧化硫(SO2)会将太阳的一些辐射反射出去,对局部地区产生一些冷却作用,但不会对改变全球气候。

目前新西兰和澳大利亚正在经历历史上最热的夏天。Salinger 认为在几个月之后局部地区会降温 0.1 至 0.5 摄氏度,一直持续到春季。 

除此之外,汤加还可能出现酸雨和火山烟雾,这可能会对火山周围地区的人类健康造成短期危害。 

对 Smithsonian Institution’s 全球火山项目的科学家 Janine Krippner 来说,目前最关心的还是汤加人民的未来。因为这次的火山喷发可能会对这个国家造成令人难以置信的破坏,并且没有知道是否这轮喷发已经结束。

汤加运动员 Pita Taufatofua

为了帮助自己的人民,现居澳大利亚的著名汤加运动员 Pita Taufatofua 发起了众筹。截至记者发稿时至,众筹已得到了 265,449 澳币的捐款。相信在太平洋国家和全球各国的帮助下,汤加人民一定会渡过难关。

参考文献: 

https://www.nationalgeographic.com/science/article/the-science-behind-the-tonga-eruption-and-tsunami

https://www.gofundme.com/f/tonga-tsunami-relief-by-pita-taufatofua

https://www.smh.com.au/world/oceania/the-equivalent-of-1000-hiroshima-bombs-world-watched-a-tremendous-explosion-in-tonga-20220116-p59oka.html

https://eos.org/science-updates/new-volcanic-island-unveils-explosive-past

本文来自微信公众号 “学术头条”(ID:SciTouTiao),作者:刘芳,36氪经授权发布。

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