当前位置:首页 > 专家视点

汤加火山爆发事件,科学家们怎么看?

发布时间:2022年01月24日 来源:科普中央厨房

南太平洋一座海底火山的大规模喷发,在全球舆论中掀起波澜。来听听各个领域的科学家们,从专业的视角解读火山爆发的过程与影响。

1月15日,南太平洋岛国汤加海域发生大规模火山爆发,引发海啸灾害,波及整个环太平洋地区。这次“意外”的火山爆发,让总人口10万的南太平洋岛国,瞬间成为全球瞩目的焦点。

▲1月15日,日本气象卫星“海马8号”拍摄的卫星图像显示,汤加海底火山喷发形成了高达20公里,顶部扩散数百公里的喷发柱(图片来源/视觉中国)

有专家推测,这次火山喷发是地球上最近30年以来威力最强的一次。火山爆发造成的次生灾害不仅使汤加一度“全国失联”,并可能继续对全球生态环境、气候环境带来不可预估的影响。

由于火山爆发事发突然且历史罕见,事件后伴随大范围人道主义救援的,是公众和专业人士围绕相关科学问题的讨论和疑问。记者采访了地质、气候、海洋等多领域的专业人士,从科学的视角解读火山爆发的过程与影响。

海底火山爆发为何能“水火交融”?

众所周知,水与火是“水火不容”的存在。但此次汤加火山爆发当中,茫茫太平洋的海水不仅未能让火山“熄灭”,甚至助长了爆发的威力,这种“水火交融”的现象是怎样产生的?

首先需要明确一点,海底火山喷出的到底是什么?乍一看,的确和“喷火”差不多,但事实上那不是火,而是岩浆,一种像钢水一样的熔融物质。

岩浆来源于地球的软流层,是岩石的熔化状态,是流动的,温度高达上千摄氏度。地壳下因为具备高温高压的环境,储存着大量的岩浆。当板块运动频繁时,岩浆会在高压作用下冲破地壳,向外喷涌而出,形成火山爆发。

火是燃烧物与空气之间的剧烈氧化作用形成的,水能灭火的原理,一是降温,二是隔绝氧气。没有了氧气,燃烧物也就无法继续进行氧化活动,燃烧自然就停止了。

而岩浆不太一样,它的喷发是地底高压导致的,本身就不需要助燃物和燃烧物,炽热的岩浆接触到冰冷的海水后,高温使得附近海水迅速变成水蒸气,这就是“水火交融”时的剧烈景象。

▲从我国高分一号B卫星遥感图像中可以看到,洪阿哈阿帕伊岛周边几十公里海域漂浮着大量的红色、褐色的浮石,长度从几米到10多公里不等。浮石由火山熔岩和海水接触形成,其主要成分通常是二氧化硅,质地软,比重小,在海浪的作用下聚集在一起,可形成大片浮石区,不仅会影响船只航行,海域中鱼类资源也会因为误吞浮石而死亡(图片来源:央视新闻)

海底火山喷发和陆地火山喷发的介质不一样(一个是海水,一个是空气)。由于空气的阻力比海水小,照理说同样规模的火山喷发,陆地上的火山喷发会更猛烈些。但真实情况却是:海底火山的喷发有时表现得更加剧烈。这是因为岩浆喷发会使海水迅速沸腾,在极短时间内产生高温和大量的气体,因此海底火山喷发容易伴随剧烈的爆炸。

当然,有些海底火山活动较为缓和,海水和岩浆接触过程中,海水不断沸腾,对岩浆不断降温,最终岩浆会冷却成固态覆盖在海底。岩浆喷发得多,就堆积起来,露出水面成为岛屿。

火山爆发预警有多难?

以目前的情况来看,大多数科学家认为本次汤加火山爆发的级别属于比较强的VEI5或者VEI6(即Volcanic Explosivity Index,火山爆发指数)。在技术高度发达的当下,如此强烈的火山运动为何仍然无法被提前预警?

目前,对火山爆发(尤其是海底火山)的监测,难度是非常大的。

火山是岩浆活动的产物,当地下深部的岩浆受到巨大压力的作用时,就会喷出地表形成火山。如果火山位于大洋底部,就称为海底火山。据估算,地球上有约2万座海底火山,多分布于板块构造、岩浆活动活跃的区域,如大洋中脊、岛弧等。这2万座火山中,有的已经寿终正寝,有的仍然年轻活跃,另一些则正在休眠。比如著名的夏威夷群岛,实际上就是由火山喷发形成的群岛。

世界上火山最活跃的地区恰恰就是太平洋,地质学上有“环太平洋火山带”的说法,这个火山带大体环绕整个太平洋,全长4万多公里,活火山数量超过500座,汤加火山只是其中之一。

世界上火山数量这么多,海底火山又分布在茫茫大洋当中,以人类现有的地质研究和海洋探测水平,很难对海底火山的活动实现直观的监控,基本上只能“听之任之”。

▲我国境内活火山的监测分布图。吉林长白山火山、龙岗火山、黑龙江五大连池火山、镜泊湖火山、云南腾冲火山和海南琼北火山已被纳入中国火山监测台网。包括地震、重力、形变、流体等多种监测手段都被用于这些活动火山的实时监测中(图片来源:四川在线)

针对海底火山,目前通用的方法是根据已有的喷发资料,推算出下一次可能活跃的周期和时间,但这个数据的科学准确性不高,方法也比较原始。

正因为如此,目前汤加火山喷发何时结束也无法确定,因为火山活动是在地质时间尺度,而不是在人类时间尺度上,持续几天、几周甚至几个月的爆发跨度都有可能,只能说后续爆发强度可能会减弱一些。这与一次地震以后,余震持续几年甚至几十年的道理是相似的。

火山爆发会造成全球变冷的“无夏之年”?

汤加火山喷发后,关于火山灰影响气候的一些推测牵扯着人们的神经—大量火山灰进入平流层后长期无法沉降,产生“遮阳伞效应”,会造成全球温度下降的“无夏之年”。这种说法有科学依据吗?火山喷发确实会与全球气温下降产生关联。但目前为止,汤加火山对全球气温的影响不会很大。

火山确实会导致地球“降温”,主要原因是它们向大气层中注入了含硫气溶胶,这些气溶胶进入平流层后,会将更多的阳光反射出去,从而在大气层内产生冷却效应。近100年来,有三次大规模的低纬度火山喷发,分别是印尼阿贡火山(2019年)、墨西哥埃尔奇琼火山(1982年)和菲律宾皮纳图博火山(1991年)。它们喷发后的当年冬季,我国除东北和新疆外大部分地区气温偏低。

但谈到气候影响,火山喷发的规模是必须考虑的重点因素,曾导致全球平均气温下降0.5℃的菲律宾皮纳图博火山爆发VEI是6级,它在1991年的爆发释放了20000千吨二氧化硫;此次汤加火山的爆发预估的VEI是5~6级,但喷发首日二氧化硫释放量仅为62千吨,对全球气温的影响不会很大。

▲根据我国风云四号B卫星的观测,火山灰云中的大部分矿物颗粒物质在火山爆发点周围徘徊并逐渐沉降,而火山云团中还逐渐有浅色云团分离,并逐渐向西扩散。经分析,这部分云团主要是由二氧化硫等酸性气体组成(图片来源:央视新闻)

一系列研究表明,火山喷发一般会对未来1~2年全球和东亚气候产生持续影响,造成一定的降温效应。对于我国而言,火山喷发还可能减弱次年东亚夏季风强度,进而导致我国夏季雨带偏南,影响整个汛期降雨量。

对海洋生态是福还是祸?

汤加海底火山喷发以后,数量巨大的火山灰、岩浆、硫化物落入海水当中,并随洋流飘散,它们会给海洋生物来说带来怎样的影响?会破坏我国沿海生态环境吗?

海底火山喷发的瞬间,周围海水迅速升温沸腾,会给附近的海洋生物造成毁灭性打击;火山喷发出的岩浆覆盖在海底,会造成大量海底生物死亡;熔岩里携带的大量硫化物,对于更远处的海洋生物也是有毒性的。

火山喷发的间接影响则是长期的、大范围的。由于大量火山灰遮挡住阳光,海水中藻类的光合作用就会减弱。藻类是海洋生态系统中的初级生产者,通过光合作用产生氧气、供给有机质,养活其他海洋动物或微生物。藻类一旦减少,这片海域的生物量就会减少,有可能导致该地区生态系统中的群落结构发生根本改变甚至崩溃。

火山喷发还会导致一定区域内海水浑浊度升高,这不但会进一步影响藻类的光合作用,浑浊颗粒物质还会附着或者覆盖在珊瑚礁上,堵住礁栖生物的呼吸、滤食孔,杀死珊瑚虫等礁栖生物。

▲受汤加海底火山喷发导致的海啸影响,日本共有30艘左右的渔船发生倾覆或沉没,多地存在渔业和水产养殖设备受损的情况(图片来源:环球网)

从另一个角度看,火山喷发导致海水温度升高,有毒有害物质增加,这可能引发海洋生物基因变异速度加快。

前几天,有关“野生大黄鱼丰收”的新闻刷屏,有网友认为这和汤加海底火山喷发有关系,其实这种怀疑的科学依据不足。大黄鱼是中国近海的主要经济鱼类之一,不是被火山爆发从远洋赶过来的。渔船一网能捕获这么多大黄鱼,主要是我国多年来实行夏季休渔措施以及加强海洋环保措施的成果。加上渔船捕捞能力和鱼群雷达探测跟踪能力大幅度提高,鱼群又恰好在越冬场(鱼虾类群聚过冬的水域)内过冬。

至于鱼群聚集与汤加海底火山喷发引发的地震和海啸是否有关联,这种可能性不大,但也不能完全排除由于地震波和海啸波传到中国近海,引起大黄鱼聚集,短时间内形成较大鱼群的可能性。