火山喷发蒸汽圈成因初探

张健

洛阳实验小学，河南 洛阳 471000

火山喷发蒸汽圈成因初探

张健

洛阳实验小学，河南 洛阳 471000

运用类比推理，分析喷发蒸汽圈的成因，形成假说。众所周知，能喷出烟圈的现象不多，无外乎一是吸烟人用嘴吐出烟圈，二是拖拉机刚发动时从烟筒里喷出烟圈。

2010年冰岛埃亚菲亚德拉火山喷发时，美国地质学家记录到火山喷发蒸汽圈现象，目前关于这种火山蒸汽圈的形成原因仍然是个谜。为探究这一奇特现象产生的原因，特制作模型进行研究，从而揭示出火山喷发蒸汽圈产生的基本条件，对研究火山运动及喷发现象具有科学认识价值。

火山喷发；冰岛；蒸汽圈；成因

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前言

火山喷发蒸汽圈现象是火山内部运动产生气体外泄形成的自然景观，其具体成因目前文献中还没有确定性结论。

关于火山喷发出巨大的蒸汽圈的文献和报刊报道，北京时间2010年5月24日，位于意大利西西里岛的著名的活火山－埃特纳火山，不仅喷发频次高，它还有一个极罕见的现象，火山喷发出巨大的蒸汽圈（见图1所示）[1]。早在2000年，也有该火山喷出蒸气圈的相关报道和图片资料。2010年冰岛埃亚菲亚德拉火山喷发时，美国地质学家也记录到火山喷发蒸汽圈现象。目前关于这种火山蒸汽圈的形成原因仍然是个谜，科学家推测，该现象极有可能是蒸汽和气体喷发物从狭窄的火山喷发口喷出时所形成的（飘到高处才显现出来），就好似从吸烟者嘴中吐出的烟圈。

目前关于火山喷发蒸汽圈产生原因的报道或论文甚少，关于火山为什么会喷发蒸汽圈？揭示这一奇特的有趣的现象，并通过物理模型对此进行探究就具有科学认识价值。

图1 2010意大利西西里岛的埃特纳火山

1 分析现象，提出假说

图3 口吐烟圈

1.1 产生烟圈的因素有哪些？

吸烟人吐烟圈的因素有：1）.嘴里有气体喷出，也就是口腔里存储有烟。2）.有喷发气体的动力。吸烟人吐出烟圈的动力是：手指敲击腮帮或舌头向前伸展弹射产生的动力。3）.不是连续着的喷发，而是只有一股气体的喷发。吸烟人用手指敲击腮帮一次就有一次喷发，或者舌头向前伸展弹射一次就有一次喷发。4）.与口型空间有关。口腔内要有一定的空间。形成肚大口小的形状。

拖拉机喷烟圈的因素有：1）.气缸里有气体喷出；2）.也有喷发气体的动力，这个动力就是从气缸喷发出的刚燃烧过的气体；3）.也不是连续着的喷发，也是只有一股气体的喷发，这是因为拖拉机刚发动时气缸转换较慢，形成不了连续的喷发；4）.拖拉机排气管上有一个消音装置，安装在排气管上端，突然变粗增大，内部形成一个大的空间，原本是起到消音作用的，这时也构成了烟圈的产生。

1.2 烟圈产生的过程是怎样的呢？

吸烟人吐烟圈的过程：1）手指敲击腮帮，腮帮凹陷，挤压嘴里的烟从嘴口喷出。腮帮恢复原状，嘴内压力减小，不能再连续喷发烟。这一小股烟恰能形成一个圆环的烟量。圆环的形成是烟从嘴口喷出时，中心的力度大，速度快，四周的烟受到内壁的阻碍和嘴边的阻力速度变慢，形成一个四周的烟从后边向中心翻卷的烟圈，烟圈前边中间的烟再向四周翻卷。这样形成一个从中间向外翻卷着的，同时又向前运动着的烟圈。如果嘴张得较大也不会形成烟圈。

2）弹舌形成烟圈的过程是：舌头只弹出了一部分烟，舌头前端的形状是个半圆，舌头尖的部位落在烟的中间，产生的力度最大，舌头边的产生的力度小，这样也会形成一个从中间向外翻卷着的，同时又向前运动着的烟圈。如果舌头用力过大或过小，嘴张得过大或过小也不会形成烟圈。

刚刚发动的拖拉机排气管产生烟圈的过程是：一股一股从气缸喷发出的刚燃烧过的气体有明显的时间间隔，当气体喷到消音装置的地方，空间突然变粗增大，内部形成一个大的空间，又马上变细聚小，又形成漏斗型空间，这就与嘴喷发烟圈的的现象一样了。

根据分析吸烟者喷吐烟圈的形成原因和拖拉机喷发烟圈的形成原因，可推猜火山喷发蒸汽圈的形成原因。根据火山喷发蒸汽圈的现象分析，火山喷发蒸汽圈也必须具备以上的基本条件：1）火山口内部有气体溢出；2）有喷发气体的动力；3）不是连续着的喷发，而是只有一股气体的喷发；4）与火山口内部的空间有关，很可能是倒立的漏斗型空间。

再进一步分析，具备这些条件后火山能够形成蒸汽圈的喷发有两种可能：1)气体来源于岩浆内部形成的喷发；2)气体存储在火山通道下的空间内形成的喷发。

气体来源于岩浆内部的喷发：当有一团含有挥发份气体的岩浆，上升或运动到火山通道时，岩浆上部压力减小，禁锢在液体中的气泡会迅速释放出来，导致爆炸性喷发[2]，这时具备了喷发蒸汽圈的基本条件。

气体存储在火山通道下的空间内形成的喷发。岩浆在不停地运动着，有的地方上升，就会同时伴随着有的地方下降。有的地方下降，就会同时伴随着有的地方上升。运动的岩浆会向压力小的地方运动（如图4）。由于火山通道与地壳外连通，此处压力较小，此处的岩浆受到挤压过来的岩浆的推动，会在这个地方突然上升，火山通道下的空间内的气体被涌起的岩浆挤压喷发而出。这时也具备了形成蒸汽圈的基本条件。

图4 大洋板块俯冲示意图

2 制作模型，验证假说

火山喷发蒸汽圈的成因是否像我们根据吸烟人喷吐烟圈的成因所推导的形成过程呢？本文进一步用模型演示来验证（如图5）。

制作这个模型，是围绕以上四个产生烟圈的基本要素而设计制作的。1）用烟雾球产生白烟储存在储烟桶里，用小电扇推动上升气流，能让白烟溢出。2）喷发气体的动力是人提起提柄产生的动力。3）提起提柄只能产生一股气体的喷发，而不是连续着的喷发。4）瓶子口内的空间就是倒立的漏斗型空间。

图5 火山喷发蒸汽圈试验模型

工作原理：点燃的烟雾球在金属燃烧盒里产生白烟，白烟在储烟桶里存积。打开开关，叶轮转动产生上升气流，气流通过白烟通道进入内瓶，白烟充满内瓶后再进入外瓶，当白烟充满外瓶后白烟会从“火山口”冒出。这时关闭开关，手握提柄向上猛然提起，活塞堵塞内瓶口，防止气流回流，挤压白烟从外瓶口喷出，这时产生烟圈从“火山口”喷出。

(此模型已被用于地理教学，被河南省教育技术装备中心评选为参加2012年的第八届（天煌杯）全国优秀自制教具)。

本模型通过操作能够产生烟圈，也许这就是火山能够喷发蒸汽圈的真正原理。

从本模型的演示进一步发现：

2.1 模型“火山”口内部溢出的白烟气体，不能多也不能少。气体多了，喷发出的白烟一涌而出，形成不了蒸汽圈;气体少了，白烟一出“火山口”就散了。由此证明，火山能够形成蒸汽圈的喷发，气体不能多也不能少。气体多了，喷发出的白烟一涌而出，接近蘑菇云形态的烟，形成不了蒸汽圈;气体少了，白烟一出火山口就飘散了。

2.2 喷发气体的动力。模型“火山”口内部溢出的白烟气体如果多，喷发的动力就会相应增大，喷发出的白烟一涌而出，形成不了蒸汽圈; 模型“火山”口内部溢出的白烟气体如果少，气体少了产生的力量就会相应减小，构不成喷射，也形成不了蒸气圈。由此可推想，火山喷发蒸汽圈的动力，要么是岩浆挤压气体溢出的动力，要么是岩浆涌起时挤压火山通道下的气体的动力。这两种动力产生的都不巨大，只能产生一股气，所以才能形成蒸汽圈。动力大了，喷发出的烟被冲散，动力小了，喷发出的烟是向侧面缓慢飘动地冒烟。都形成不了蒸汽圈。如果火山内部涌起的岩浆力量很大，那么岩浆就会喷涌而出，也形成不了蒸汽圈。

2.3 操作模型能够产生烟圈时，正是能够一股气一股气地喷发，让气体产生的不多也不少，所以模型产生的烟才不是连续着的喷发或冒烟。由此证明，火山能够喷发蒸汽圈时，气体也不是连续着的喷发或冒烟，也是一股气一股气产生的。

2.4 从摹拟火山通道下的空间不同形状实验发现，倒立的漏斗型空间最容易产生烟圈。这是因为：气流受到缩小的火山口的阻碍，形成中间与四周的速度差，才能形成气流的由中间向四边的旋转涡流。由查阅有关火山成因的资料得知：“气体物质的溶蚀作用。一般火山内部置换物质的顶层由气体构成，气体在巨大的压力下温度会上升，并开始溶蚀置换空间顶层的岩石和喷发通道中的结晶岩，使置换空间越来越大，（老的间喷火山都有比较大的置换空间）……”[3]这样溶蚀的空间形状也容易是倒立的漏斗型。由此证明，火山喷发蒸汽圈的形成与火山通道内部倒立的漏斗型空间有关（如图6）。

图6 火山喷发蒸汽圈原理分析图

3 归纳总结，形成认知

总结以上的验证和论述可得出：从岩浆内溢出的或者是涌起岩浆挤压的一团气体向上涌喷时，受到窄小的火山通道的阻碍，中间的气流速度快于四周气流，形成一个旋转涡流。当这股气流冲出火山口瞬间气压减小，就会形成一股由中间向外翻卷着前冲喷射的圆圈状气流团，这就是火山喷发的蒸气圈。

那么，2010年4月冰岛埃亚菲亚德拉火山喷发蒸汽圈现象的形成是因为：

1)“冰岛位于大西洋中脊火山带，在洋中脊的火山类型中，大多情况是岩浆从上地幔直接向上，或者是到海底，或者是陆地，一般不会有更长时间的停留，岩浆补充的速率很快，释放的也很快，没有长时间的气体富集过程，所以这种分离性板块边界的火山喷发往往不会由于大量气体聚集而形成剧烈的爆破性喷发。这也是冰岛历来火山活动虽然频繁但是没有爆破型危害的原因。”[4]动力因素已具备。

2)“位于北极圈之内的埃亚菲亚德拉火山，常年被冰川覆盖。火山喷发时，内部物质与覆盖在火山口厚厚的冰川共同作用，当炽热的岩浆首先遇上含水量巨大的冰川，温度上剧烈的反差制造出大量的炙热的水蒸汽。”[5]白色烟灰因素已具备。

3)从冰岛埃亚菲亚德拉火山喷发的时间上推段，4月20日以后，已从喷烟灰转向喷岩浆的后期，已处在间歇性喷发，喷发力量越来越弱，有时岩浆已经不能溢出火山口，甚至已回落到岩浆通道的底部，在火山通道底部的空间里存储有大量的炙热的水蒸气[5]。这些因素也具备了生成蒸汽圈的条件。

当喷发力量越来越弱，弱到一定程度时，恰能喷出存储在火山通道底部空间的水蒸气时，这一团气体就构成了形成喷发蒸汽圈的所有条件，一个巨大的蒸汽圈就能喷薄而出，冉冉升起。

由此可见，火山喷发蒸汽圈的现象，形成的原因受多方面因素影响，几方面的因素同时存在并发挥作用，恰到好处，才会形成喷发蒸汽圈现象。所以，人们能观测到火山喷发蒸汽圈的现象是极其罕见的，这也是对火山喷发蒸汽圈的关注不多、未能揭示成因的主要原因。

[1]地理时间.神奇自然：火山吐烟圈www.co m geo.n et/arch ives/11334

[2]中国地质图书馆.火山科普知识火山成因 世界火山分布.http://www.cgl.org.cn/volcano/ co m m o n/cau satio n.h tm

[3]胡道雄.关于火山成因的探讨. 新疆石油地质.2011, 32(5):564-568

[4]魏海泉.《专家：此次火山喷发为冰岛历史规模最大》中国新闻网新闻中心与中国地震局地质研究所研究员、火山问题专家魏海泉进行的连线专访。http://news.china.com.cn/txt/2010-04/16/ content_19838639.h tm ,2010.4.16

[5]中国新闻网.冰岛火山爆发出现新兆 “喷烟灰”转向“喷岩浆”,2010年04月21日http:// www.chinanews.com/gj/gj-oz/news/2010/04-21/2239162.sh tm l

Causes of Volcano Eruption Steam Coil

Zhang Jian
Luoyang Experimental Primary School, Luoyang 471000, China

In 2010 Iceland Eyjafjallajokull volcano eruption,the United States geologist records to volcanosteam circle. Phenomenon. At present about thisvolcano steam circle formation remains a mystery.To explore this strange phenomenon, the specialmodels is built to study relative problem. Inorder to reveal the basic condition which volcanoeruption steam coil. The study will have the valueof scientific knowledge to volcano movement anderuption.

K9

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.197

张健：洛阳市实验小学，小学高级教师，大专，洛阳市小学科学学科国家级骨干教师，特级名师。