此次火山噴發(fā)現場，從船上拍攝的火山灰云（圖片來源：Alejandro S. Méndez）
撰文 | 栗子、二七
海底火山噴發(fā)釋放的火山灰和蒸汽，與空氣夾雜在一起，形成巨大的羽流，沖上了大約3萬米高空，而民航飛機飛行高度通常也只有1萬米左右。這股厚重的羽流遮天蔽日，令南太平洋諸島籠罩在火山灰的陰霾之下。
于是，空氣質量受到嚴重影響，湯加當局已經在提醒民眾帶好口罩，保護肺部。同時遭受污染的還有水源，淡水成了人們迫切需求的資源。但對陶法一家人來說，更要命的是火山噴發(fā)導致的海嘯襲擊了他們所在的地區(qū)，海水很快灌進房子，所有人都拼命往地勢高的地方逃。
海嘯襲擊了湯加（圖片來源：Journalist Siraj Noorani）
災難發(fā)生幾小時后，災區(qū)與外界的大部分聯(lián)系方式都被切斷。原本湯加境內的電話和網絡服務，幾乎全靠海底電纜來支撐，而海底火山噴發(fā)破壞了電纜。用來替代電纜的衛(wèi)星通信，又因為火山灰的存在而受到阻礙。一時間，各地的傷亡情況難以知曉。
那么，這次火山噴發(fā)到底有多大的威力，又為什么會產生這樣猛烈的噴發(fā)？
此次噴發(fā)的海底火山，全名叫洪阿湯加-洪阿哈帕伊（Hunga Tonga-Hunga Ha?apai，下文簡稱“湯加火山”），是一座距離湯加本島僅有40千米的火山島。如果你覺得這個名字很繞，其實洪阿湯加和洪阿哈帕伊本為兩座小島，是一次火山噴發(fā)，讓它們合為一體。
而新一輪的噴發(fā)，則是從2021年12月20日開始，那時的爆炸聲從170千米外也聽得到。此后，噴發(fā)斷斷續(xù)續(xù)，直到今年1月5日，火山活動終于停歇下來。但沒過幾天，1月13日這座火山又把火山灰送上17000米高空，湯加政府還因此發(fā)布了海嘯預警。而緊隨其后的，便是1月15日那場罕見的猛烈噴發(fā)。
火山灰云（圖片來源：NOAA）
這一次，爆炸聲不光震懾到了身處湯加的陶法一家，還在火山噴發(fā)的7小時后，被數千千米之外的阿拉斯加居民聽到，傳播時速約有830千米。與此威力相比，先前那些大大小小的噴發(fā)，都顯得不足掛齒。
那么，巨大的爆炸聲從何而來？
這是一座海底火山，如果巖漿是從地底緩緩進入海水，巖漿和水之間會形成一層薄薄的蒸汽膜。就算1200℃高溫的巖漿遇上冰冷的海水，那層薄膜也會讓巖漿冷卻下來。但是，如果巖漿從充滿火山氣體的地下噴薄而出，迅速進入海水當中，任何蒸汽膜都會破裂，讓高溫巖漿直接接觸到冰冷的海水。在科學家看來這便是燃料-冷卻劑相互作用，就像武器級的爆炸那樣。
當爆炸把巖漿撕裂成碎片，然后新的高溫表面又和冷水接觸，繼續(xù)發(fā)生爆炸……周而復始，便可能產生非常劇烈的爆炸。諾貝爾獎物理學獎得主、澳大利亞國立大學的布萊恩·施密特教授相信，此次火山噴發(fā)中的爆炸，威力相當于1000顆廣島原子彈。
在火山學者眼中，這是湯加火山千年一遇的猛烈噴發(fā)。衛(wèi)星成像結果顯示出巨大的火山灰云，也顯示了從火山口附近迅速擴散的沖擊波（shockwave）。在湯加，有許多房屋的玻璃被沖擊波震碎，而在火山噴發(fā)引起的越洋海嘯中，沖擊波也發(fā)揮著作用。
圖片來源：Mathew_Barlow via Reddit
目前已有許多國家發(fā)布海嘯預警。比如，離我國不遠的日本奄美市，在15日晚監(jiān)測到1.2米的水位升幅，日本便針對奄美群島等地區(qū)發(fā)布了海嘯預警。我國香港曾在15日晚已經監(jiān)測到氣壓急升，但尚未發(fā)現明顯的水位上漲。
當然，首當其沖的還是湯加，特別是火山島附近的區(qū)域，也就是哈帕伊群島中的其他島嶼，至少有6000居民生活在那里。由于湯加國內的通訊系統(tǒng)受到嚴重破壞，目前正在修復當中，想要得知各地的受災情況，可能還需要一段時間。
湯加火山位于太平洋板塊與印度-澳大利亞板塊俯沖邊界上，是湯加-克馬德克群島火山弧的一部分。在過去的幾十年里，湯加火山其實已經發(fā)生過很多次噴發(fā)事件。2014年12月下旬，湯加火山的一次小規(guī)模噴發(fā)，將大量的蒸汽和火山灰噴向空中。這場噴發(fā)持續(xù)了大約5個星期，噴發(fā)結束時，洪阿湯加和洪阿哈帕伊兩個小島被沉積物連成了一座島，島中央能看到一個明顯的火山錐。
然而這并不是真正的火山口，湯加火山真正的火山口（破火山口，caldera）隱藏在海面之下，直徑約20千米。我們印象中那種典型的錐狀火山口往往來自成層火山（stratovolcano，又稱復合式火山），熔巖流和火山碎屑物相互成層，逐漸積累成我們熟悉的圓錐狀。然而相比之下，破火山口看起來像一個廣口盤子一樣。
湯加火山的破火山口隱藏在海面之下（圖片來源：S. J. Cronin, M. Brenna, I. E. M. Smith, S. J. Barker, M. Tost, M. Ford, S. Tonga’onevai, T. Kula and R. Vaiomounga，2017）
破火山口火山與成層火山和盾狀火山的差別不僅在于外觀，還在于噴發(fā)規(guī)模。破火山口火山往往是在地下的巖漿房積累到足夠規(guī)模后，大量巖漿一次性噴涌而出。這時，已經清空或半空的巖漿房無力支撐上方的巖石，地表就會向下塌陷，形成一個巨大的“碗”。也正因如此，破火山口火山噴發(fā)的規(guī)模往往比成層火山更大。
這樣的特點似乎使湯加火山注定會迎來一次大規(guī)模的噴發(fā)。正在英國劍橋大學進行巖石學和火山學方面博士后工作的李蔚然表示：“這種火山傾向于會有劇烈的噴發(fā)……因為它地下巖漿房的體積通常比較大，還有一個很長的噴發(fā)周期……（近年來）湯加火山之前的噴發(fā)都比較小，它可能一直在積累，在醞釀能量，直到產生這次大的噴發(fā)。”
2017年，新西蘭奧克蘭大學的沙恩·克羅寧（Shane Cronin）和同事深入研究了兩座小島上的火山沉積物，并且與65千米外的塔布島上的火山灰沉積物對比。他們發(fā)現湯加火山在歷史上曾發(fā)生過至少兩次大規(guī)模噴發(fā)。放射性碳測年顯示，大約每1000年，湯加火山都會發(fā)生一次大規(guī)模噴發(fā)，最近一次是在1100年。此后，陸續(xù)發(fā)生過一些小規(guī)模的噴發(fā)，但主要發(fā)生在火山口的邊緣。直到一千多年后湯加火山再次“做好準備”“如約而至”。
目前，湯加火山本次噴發(fā)活動還在繼續(xù)，因此在現階段，我們也很難得出湯加火山本次噴發(fā)規(guī)模的結論?；鹕絿姲l(fā)的規(guī)模經常會用火山爆發(fā)指數（Volcanic Explosivity Index，VEI）來表示，這個指數是由火山噴出物質的總量、火山氣體的噴發(fā)高度和火山噴發(fā)的持續(xù)時間綜合判定的。因此，在本次噴發(fā)活動結束前，都還無法判斷本次噴發(fā)的VEI等級。“因為這個指數基本是需要噴發(fā)基本結束后才能判斷，就很難說VEI到幾級了。有的火山看起來很兇，或者造成很大的災害，但噴出體積不大，因此VEI 也不高。VEI要看噴出的體積多少，所以反而算不上特別高的VEI。”李蔚然說。
本次湯加火山噴發(fā)，還讓“無夏之年”這個詞進入了大眾的視野。1815年4月，印度尼西亞的坦博拉火山突然爆發(fā)，規(guī)模達到了VEI 7級。記錄顯示，當時噴出的火山灰柱高度達45千米，受影響最重的歐洲大部分地區(qū)氣溫降低了2-4℃，使隨后的1816年成為了著名的“無夏之年”（the year without a summer）。全球各地區(qū)的農作物紛紛歉收，同時導致了大規(guī)模的饑荒。
這種規(guī)模的影響主要來自火山氣體中的二氧化硫（SO?）。當大量SO?進入平流層（海拔約10-20千米以上），SO?會反應形成硫酸氣溶膠，它可以在平流層存在較長時間，并能反射陽光，從而使地表變冷。
圖片來源：美國密歇根理工大學火山學教授西蒙·卡恩（Simon Carn）在社交媒體的推文
近年另一次對全球氣候造成大規(guī)模影響的火山噴發(fā)發(fā)生在1991年，菲律賓的皮納圖博火山噴發(fā)導致全球平均氣溫下降了約0.5℃。記錄顯示，該次噴發(fā)釋放了約2000萬噸SO?。相比之下，根據NASA的衛(wèi)星監(jiān)測數據，雖然本次湯加火山噴發(fā)的氣體已經達到了近30千米的高度，但目前釋放出的二氧化硫僅有約40萬噸，與1991年的水平還有些距離。以現在的水平來看，對全球氣溫的影響可能不明顯。
https://so2.gsfc.nasa.gov/pdfs/Bluth_Pinatubo1991_GRL91GL02792.pdf
https://so2.gsfc.nasa.gov/pix/daily/0122/tonga_0122z.html
https://www.washingtonpost.com/world/2022/01/15/tonga-tsunami-new-zealand-volcano-eruption/
https://theconversation.com/why-the-volcanic-eruption-in-tonga-was-so-violent-and-what-to-expect-next-175035
https://www.bbc.com/news/world-asia-60007119
https://www.nationalgeographic.com/science/article/the-science-behind-the-tonga-eruption-and-tsunami
《環(huán)球科學》1月新刊銷售中
