汤加火山大爆发震动全球

2022-07-09李忠东

科学24小时 2022年8期

李忠东

2022年1月14—15日，位于西南太平洋的岛国汤加连续发生猛烈的海底火山爆发，具体地点在距首都努库阿洛法以北65千米处的洪阿哈阿帕伊岛。巨量的气体和烟尘从海底喷发，穿越四五千米深的海水到达地表后，形成了犹如核爆一般的直径近500千米的蘑菇云，直冲20多千米的高空，足以遮挡太阳。蘑菇云的静电放电高度是地球上最猛烈雷暴发生高度的两倍，产生了大量的火山闪电。在火山最初喷发后的15分钟内，雷电探测网络和卫星共记录了6万多次雷击，相当于近70次/秒，几乎没有常规雷暴能与之相比。这次汤加火山喷发具有强度高、能量大、气柱高（可达平流层中部）的特点，气体成分以水蒸气、二氧化硫、硫化氢为主，也有含量相对较低的二氧化碳，主要气候效应是降低地表温度、破坏臭氧层和形成酸雨。

汤加火山爆发时的动静非常大，将所在的小岛都炸没了，巨响传遍了汤加周边的国家。在800千米外的斐济，人们还以为附近发生了大爆炸。而1700千米外的新西兰和2300千米外的澳大利亚的人们也都听到了响声。甚至连8000多千米外的北美洲阿拉斯加的气象预报员也表示，听到了来自汤加火山的巨响。2022年1月14日的爆发规模较小，相比于第二天的大爆发，只能算是一场热身运动，但已造成了罕见的奇景。据估计，这是继1991年菲律宾的皮纳图博火山爆发之后，近30年来规模最大的一次火山爆发。

汤加火山爆发引发越洲海啸现象

汤加火山爆发时，形成了直径近500 千米的蘑菇云

在火山周边的卫星图像中，可以轻易看到一个迅速向外辐射的白色环状物，表明火山爆发产生的巨大冲击波在空气中扩张，出现的时间比蘑菇云柱早很多。美国国家气象局数据显示，火山喷发造成的气压冲击海洋表面，传播速度超过音速。大气冲击波穿过半个地球，第一轮从西向东横跨太平洋，行进约1.3万千米到达美国新英格兰南部;第二轮向相反的方向移动，向西行进了近2.7万千米。

汤加火山爆发后，还形成了席卷太平洋的海啸。汤加周边的斐济、新西兰、澳大利亚风高浪急，就连遥远的日本、美国、加拿大、秘鲁和智利的沿海地区也波涛汹涌。按理说，源头地区的海啸掀起的海浪最高，越往远处海浪越低。但汤加火山海啸却反其道而行之，日本、美国、加拿大沿海出现的海啸波浪高一米左右，南美洲的秘鲁和智利的海浪高约两米，比火山附近产生的海啸还高。此外，这次火山爆发引发的海啸出现的时间比地震海啸正常到达的时间要早很多。在正常海啸抵达日本的时间之前约3小时，人们就发现了一场小型海啸的波浪，在美国、加拿大、墨西哥、秘鲁和智利各沿海地区出现的时间也同样要早几个小时。

而越洲海啸现象的出现，是汤加火山爆发引发的海啸中最奇怪的现象。我们知道，地震等引起的海啸只会出现在地震所在的海域和大洋。比如，1960年5月21日的智利大地震和2011年3月11日的东日本大地震引发的海啸都发生在太平洋，2004年印尼大地震引发的海啸主要波及印度洋。而这次汤加火山爆发除了在太平洋引发海啸以外，还在大西洋引发了海啸。科学家们在中美洲的加勒比海也探测到了约10厘米高的小型海啸波浪，这里和太平洋隔着中美洲地峡这片陆地，属于大西洋海域。

对此，科学家们解释道，这表明火山爆发产生的巨大冲击波在空气中扩张，隔着陆路也能传播，通过空气对地球海洋的洋面形成了较大压力，促使了海啸的产生。汤加火山爆发引发的最初的海啸属于冲击波海啸，而且这种十分罕见的“环球冲击波”以音速环绕了整个地球。汤加火山爆发让人大开眼界，打破了人们关于海啸产生的固有思维模式，拓宽了海啸研究的视野。毋庸置疑，这种由火山爆发引发的冲击波海啸以前肯定也发生过很多次，但是由于当时缺乏先进的观测手段，所以一直未發现。

此次火山喷发规模巨大，释放的能量相当于1000颗广岛原子弹。因海底电缆受损和火山灰遮蔽卫星信号的缘故，汤加与外界的通信中断数日，直到当地时间1月18日才传出消息。据悉，火山喷发给汤加80%以上的人口造成了影响。联合国卫星中心对受灾情况进行了分析，并在社交媒体上发布了多个岛屿受灾前后的卫星影像对比图。画面中，火山喷发后位于北部的整个岛屿和2014年形成的新岛屿都沉入海面以下，周边285公顷的陆地几乎“消失”。而卫星在无云区监测到汤加诺穆卡岛的受灾情况显示，几乎所有建筑物都被火山灰覆盖，其中有41个建筑确认受损。短期内的食物和饮用水短缺，给当地人带来了深重的灾难。而从长远来看，这场危机带来的后续问题更具挑战性。

在担心汤加居民安危之余，不少人也开始担心，汤加火山活动是否会造成更大范围的影响，例如影响全球气候，甚至导致2022年的夏天消失？从最新的卫星监测数据来看，此次火山爆发喷发出的火山灰主要集中在南半球，最高达到约28千米，这已经到达了平流层的中下层，必将对气候产生一定的影响。其降温作用会导致冬季略微降温。但据估算，此次火山爆发大概只有40万吨二氧化硫进入平流层，是皮纳图博火山喷发造成影响的约五十分之一。这些数值距离对全球气候有所影响还有非常大的差距。如果后续没有更大规模的喷发，那么可以判断此次火山活动暂无可能影响全球气温，不足以导致全球性的“无夏之年”。目前，汤加火山还处于活跃状态，根据对历史上火山活动事件的统计分析，目前的喷发活动可能持续数周或数月。后续是否还会有更大规模的爆发，需要进一步监测。

卫星实拍汤加火山爆发现场

火山爆发引发海啸示意图

汤加首席地质专家库拉指出，这次火山喷发释放的能量约是2021年12月20日的7倍，表明该地火山口已苏醒，喷发活跃期可持续数周甚至数年，目前尚不清楚是否已经达到峰值。如果火山再度喷发，汤加将遭到海啸、暴雨、洪水和强风等灾害链的破坏。据美国地质勘查局估计，此次火山喷发相当于5.8级地震。目前，人们对于海啸产生的具体机制尚不明晰，很可能是由于火山爆发导致火山山体大面积垮塌，再加上大气冲击波的双重效应。接下来，科学家将开展进一步的海底地球物理多学科探测，希望解开这个谜团。

地球内部为一同心状圈层结构，由地心至地表依次分为地核、地幔和地壳。虽然地核温度超过4300℃，能够熔化任何物质，但是由于压强足够大，地核仍然以固态形式存在。地核外侧的地幔层是温度较高的黏稠状流体，地幔层外侧为冰冷坚硬的岩石层。当地幔层下方的高温物质向上流动到岩石层时温度会降低，于是形成热对流。热对流不但可以引起地幔物质的缓慢移动，而且还能导致地幔上方的地壳层逐渐移动，形成板块漂移。

在板块漂移过程中，有时因为地壳发生错位或地质坍塌等引发地震。在地壳层较为薄弱的地方，地幔层的岩浆在压强作用下会沿缝隙喷出，形成火山喷发。从地下喷发出来的岩浆，汇成一条沸腾的河流奔涌向前，直到逐渐冷却。岩浆产生的物理和化学反应可以释放出有毒气体，好像水中的气泡一样上升到岩浆表面破裂，这就是人们看到的岩浆沸腾的样子。

海底火山是在浅海和大洋底部形成的各种火山，分布相当广泛。据统计，全球共有海底火山2万多座，太平洋底就拥有一半以上的数量。海底火山主要集中在地球板块的边界，呈带状分布，称为“火山带”。也有一些海底火山零星散布在大洋盆地内。

海底火山大致可以分成洋脊火山、海沟火山和洋盆火山三种类型。其中，洋脊火山形成于大洋中脊，是大洋板块扩张的边界，也是海洋地壳增生的地方。该型火山沿着大洋中脊构成一条条绵长的山脉。海沟火山形成于海沟，是板块汇聚的边界，也是海洋地壳俯冲消亡的地方。这种类型的火山沿着海沟分布，呈现出弧状的火山岛弧。而洋盆火山形成于大洋盆地内，属于大洋板块内部的火山，主要包括海底火山链、平顶海山和洋底高原等。

汤加位于 “环太平洋火山地震带”的西南端。“环太平洋火山地震带”是一个围绕太平洋频繁发生地震和火山爆发的地区，全长约4万千米，呈马蹄形。活跃的板块运动导致该地区地质结构复杂，地质灾害多发，集中了全球90%的地震、81%的大地震和75%的火山喷发。事实上，自20世纪以来，洪阿哈阿帕伊岛的海底火山活动一向活跃，近年来岛屿的面貌随着多次爆发而屡遭改变，目前所见的洪阿哈阿帕伊岛只是体量硕大的海底火山口的边缘凸起。由于该岛下方就是巨大的地下岩浆房，汤加火山的大规模爆发并不意外。

全球板块构造图

汤加火山和夏威夷火山都是活火山，时不时就喷发一次，但两者的类型不同。汤加火山属于海沟火山，在太平洋板块向印澳板块（指印度和澳大利亚板块）俯冲过程中，太平洋板块不断将含水和碳的海底沉积物与岩石带进地球深部，随着温度和压力的逐步升高，形成熔融的岩浆，岩浆上涌喷发到海底，来势猛烈异常，性烈如火，产生大量的气体。夏威夷是洋盆火山，动力学上较弱，物质能量相对较小，显得平静温和。

读到这儿，或许有人会心存疑虑：宽阔的海洋海水浩荡，为什么无法浇灭海底火山呢？水能浇灭火，是因为火的燃烧需要助燃物，水可以隔绝助燃物以及降低温度，使火势减小甚至熄灭。而火山喷发的原理是内部压强过大，爆发的瞬间会将1000℃以上的熔融状态的物质喷发到地球表面。海水虽然能够在一定程度上降低火山岩浆的温度，但却无法降低地球内部的压强，阻止火山的喷发。

特别值得一提的是，火山喷发事件与火山灾害不能简单地画等号。火山喷发会产生两种后果：一为危害，二为资源。毋庸置疑，火山活动会给人类带来巨大灾难，然而，地热、石油和天然气等能源的形成也与火山活动有关，钻石和其他多种矿产资源恰恰是因为火山活动才得以构成。大部分的金屬矿床形成与岩浆和火山的活动密不可分，如铜、钛、镍以及稀土元素在地幔或地壳内的含量是非常低的，而岩浆的活动会把这些元素富集起来，结晶成为不同的矿物，形成相对应的矿床。