汤加火山爆发威力有多大?

刘铭

(清华大学附属中学永丰学校)

2022年1月14日,位于南太平洋汤加王国的火山开始喷发,15日喷发猛烈.如图1所示,该火山名为洪加汤加火山,位于汤加王国首都努库阿洛伐以北65千米处的无人岛.此次爆发削平火山所处的山头,并造成了较大海啸,威力惊人.那么,此次汤加火山爆发释放的能量到底有多大呢?

图1 汤加火山爆发卫星图

通常情况下,火山喷发的威力是通过火山爆发指数来衡量的.火山爆发指数(Volcanic Explosivity Index,简称VEI)是1982年由火山学家提出的以喷出物体积与喷发柱高度来衡量火山爆发强烈程度的量表.正如地震的震级一样,火山爆发指数的数值越高,火山释放的能量就越大.在理想情况下,火山灰的产生量、火山口上方喷发柱的高度和火山爆发的持续时间都在火山爆发指数的考虑范围内.

如图2所示,爆炸性喷发的火山VEI从1到8,每增加1个单位,其释放的能量就增加1个量级,喷发周期也相应延长,非爆炸性喷发的火山VEI为0.这次汤加火山喷发可能被定级为VEI-5到VEI-6级之间,VEI-5所释放的能量相当于8.7级地震所释放的能量(汶川地震是8级),而VEI-6级所释放的能量相当于9.3级地震所释放的能量.地震等级与释放能量之间的关系式为E＝104＋1.5M(E为释放的能量,单位是J,M为地震震级),如果估测火山喷发相当于地震等级的9 级,那么产生的能量E＝1017.5J＝3×1017J＝3×1011MJ.这一能量有多大呢?

图2 火山爆发指数

我们可以用TNT 当量来表示,它通常用来描述核弹(或非核弹)爆炸释放的能量,相当于一定质量的TNT炸药爆炸释放的能量,1 kgTNT 炸药爆炸时释放的能量约为4MJ,而汤加火山喷发产生的能量约为3×1011MJ,经计算可知,汤加火山喷发产生的能量相当于7500万吨TNT 当量.

这么说可能还不够具体.我们知道,原子弹作为一种核武器,威力巨大,破坏力强,如果把此次火山喷发产生的能量和原子弹爆炸比较,相当于多少颗原子弹爆炸呢?

以1945年美国投掷在日本广岛的“小男孩”原子弹为例,它的TNT 当量是1.5万吨,而汤加火山爆发的能量大约相当于5000颗广岛原子弹的当量.万幸的是,汤加是一个岛国,火山所在的岛是个无人岛,因此火山喷发破坏力虽然很强,但是对汤加其他岛屿没有产生毁灭性影响.

在这次火山喷发过程中,卫星还监测到了高达14万次闪电活动,称为“火山闪电”.2010年冰岛埃亚菲亚德拉火山喷发也伴随闪电,如图3所示;2011年日本雾岛山新燃岳火山喷发同样伴随闪电,如图4所示.要了解火山闪电,需要清楚闪电的孕育过程.简单来说,我们需要将大气中的颗粒带电,让它们带上正负不同的电荷并彼此分离,当正负两极电荷持续积累并分离到不同区域,达到某一极限时,就能放电击穿中间的空气.所以,闪电的形成,首先要有正、负离子.

图3

图4

原子呈电中性,电子的数量和原子核中质子的数量一样,但是热量和摩擦力可以使原子很容易获得或失去电子,变成带电粒子.由于火山喷发的温度很高,释放的能量很容易让原子发生电离,原子要么得到电子,带负电,要么失去电子,带正电.

带电粒子是如何分离到不同区域的呢?

我们知道,中性原子的物理尺寸各不相同,带电原子和分子的物理尺寸差异更大,不同的原子和分子之间也存在着显著的质量差异.这样,给较轻的粒子提供同样的能量可使其运动速度更快;在温度梯度的影响下,刚出来的粒子的温度比已经在大气中存在一段时间的粒子的温度要高,不同的温度和质量的组合使得这些离子的速度不同.在一个动荡的喷发环境中,更小更轻的粒子通常更容易被运送到更远更高的地方,这使得电荷更容易被远距离分离.

当电荷积累足够多、粒子团之间电势差足够大时,就会产生放电现象,这就是火山闪电作用的一般过程.

据统计,自1980年以来全球活动火山已使29000人丧生,100多万人流离失所,造成的经济损失达数十亿美元.浓厚的火山灰,可导致农作物歉收,即使极少量的火山灰,也可能严重影响航空安全,甚至影响全球气候.火山爆发可能引发海啸、火山泥石流、火山崩塌、地震、酸雨等次生灾害,给人类和环境带来巨大影响.所以联合国在制订国际减灾十年计划时,把火山灾害列为十大自然灾害之一.我们要努力创造研发更新的技术,用于监测自然灾害,做到提前预防,把危害降到最低.

(完)