强大的汤加喷发背后的科学 从海啸警报到音爆,汤加喷发解释

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强大的汤加喷发背后的科学 从海啸警报到音爆,汤加喷发解释

火山羽流产生了创纪录数量的闪电,然后产生了数千英里外的爆炸声。以下是地质学家所说的推动这一事件的原因——以及接下来可能发生的事情。

就在几周前,汤加王国的两个不宜居住的小岛可以辨认出一座海底火山开始喷发。它的爆发最初似乎是无害的,灰白色的羽毛和适度的爆炸,很少有人在群岛以外的地方注意到。

但在过去的 24 小时里,那座名为 Hunga Tonga-Hunga Ha'apai 的火山让全世界都坐立不安。

在本月早些时候的片刻平静之后,它的喷发活动变得越来越猛烈。该岛的中部在卫星图像上消失了。高耸的火山灰柱开始产生创纪录数量的闪电。

芬兰天气测量公司 Vaisala 的气象学家和闪电应用经理Chris Vagasky说:“事情刚刚发生了巨大的变化。” “我们开始每分钟处理 5,000 或 6,000 个事件。那是每秒一百个事件。这太不可思议了。”

然后,在 1 月 15 日清晨,火山爆发了巨大的爆炸。空气被炸开,一道冲击波从岛上散发出来,以接近音速的速度向外辐射。在1,300 多英里外的新西兰部分地区听到了音爆,冲击波最终传播了半个地球——最远到达10,000 英里外的英国。

令所有人惊恐的是,一场海啸很快接踵而至。它袭击了王国的主要岛屿和首都努库阿洛法的所在地汤加塔布,距离火山以南仅几十英里。随着街道开始泛滥,人们纷纷逃命,通讯中断。海啸波虽然较小,但冲过浩瀚的海洋,到达太平洋西北部的部分地区,在阿拉斯加、俄勒冈、华盛顿州和不列颠哥伦比亚省造成海啸。加利福尼亚、墨西哥和南美洲部分地区的气象站也记录到轻微的海啸波。

最近对火山地质历史的研究表明,在人类的时间尺度上,这种强大的爆发是一个相对罕见的事件:这种爆发被认为大约每千年发生一次。希望最糟糕的火山爆发已经过去。但即使事实证明是这样,损害已经造成。

史密森尼学会全球火山项目的火山学家珍妮·克里普纳 ( Janine Krippner ) 说,对于汤加来说,“这是一个潜在的毁灭性事件,看着令人恐惧” 。“想想就觉得恶心。”

科学家和惊慌失措的公众急切地想知道是什么导致了如此强大的喷发,以及接下来会发生什么。但信息出现缓慢的部分原因是火山有点偏远,难以近距离观察。

“在这一点上,问题远多于答案,”克里普纳说。但这里是科学家所知道的有关构造和地质驱动因素的信息,以及它们对火山未来可能意味着什么。

太平洋的火山发电站

Hunga Tonga-Hunga Ha'apai 位于南太平洋地区,那里到处都是火山——有些在海浪之上,有些在远低于海浪的地方——有强烈的喷发倾向。过去的事件释放了城市大小的浮石筏,或者看到火山将自己炸裂,然后立即建造新的岛屿。

由于太平洋板块不断潜入澳大利亚构造板块下方,因此存在大量火山。当板块下降到地幔的超热岩石中时,里面的水被烘烤出来并上升到上面的地幔中。向这些岩石中加水会使它们更容易融化。这会产生大量具有粘性且充满气体的岩浆——这是爆发性喷发的有效方法。

Hunga Tonga-Hunga Ha'apai 也不例外。这片土地坐落在一座超过 12 英里宽的火山上方,有一个直径约 3 英里的大锅状坑,隐藏在大海的视线之外。早在 1912 年,人们就可以看到它以活力和活力喷发,有时会在被侵蚀之前冲出海浪。2014-15 年的喷发创造了一个稳定的岛屿,很快成为五颜六色的植物和谷仓猫头鹰的家园。

当 Hunga Tonga-Hunga Ha'apai 于 2021 年 12 月 19 日再次开始喷发时,它产生了一系列爆炸和10 英里高的火山灰柱,但对于一座海底火山来说,它“并没有什么特别之处”,Sam Mitchell说, 英国布里斯托大学的火山学家 在接下来的几周里,足够多的新鲜熔岩喷发,使该岛扩大了近 50%。随着新年的到来,火山似乎正在平静下来。

然后,在过去的几天里,戏剧性的事情发生了转机。

火山的威胁性漩涡

随着火山的爆发力开始加剧,从它的灰羽中冒出的闪电数量不仅开始超过这次喷发期间看到的,而且在任何有记录的喷发期间都开始黯然失色。

火山可以产生闪电,因为它们的羽流中的灰烬颗粒相互碰撞或撞到大气中的冰块,从而产生电荷。正电荷与负电荷分离,引发一道闪电。(了解更多关于火山如何引发闪电的信息。)

从一开始,维萨拉的 GLD360 网络就检测到汤加喷发的闪电,该网络使用全球分布的无线电接收器,可以“听到”闪电作为强烈的无线电波爆发。在最初的两周内,系统有时会记录到每天几百或几千次闪光——这并不罕见。“我猜它正在清嗓子,”瓦加斯基说。

但到周五晚些时候到周六早些时候,这座火山正在产生数以万计的排放量。在某一时刻,这座汤加火山在一小时内完成了 200,000 次排放。相比之下,2018 年印度尼西亚 Anak Krakatau 的喷发在一周左右的时间内有 340,000 次喷发。

“我简直不敢相信我看到的数字,”Vagasky 说。“你通常不会在火山上看到这一点。这是另一回事。昨晚这个星球上没有其他地方有这么大的电力。”

从远处看,它可能看起来很壮观,但在近距离看来,它似乎是世界末日,无尽的雷声和火山风箱所伴着的持续不断的光芒。大多数闪电不仅与羽流隔离,而且还击中了地面和海洋。“这对任何坐在其他汤加岛上的人来说都是极其危险的,因为所有这些闪电都在你周围落下,”瓦加斯基说。

那么,为什么这次喷发产生了可能创纪录的喷发次数呢?

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的火山声学研究员Kathleen McKee说,水的存在总是会增加闪电的几率。当岩浆与浅水体混合时,被困住的水被剧烈加热和蒸发,将岩浆炸成数百万个小碎片。你拥有的粒子越丰富越细,你产生的闪电就越多。

慕尼黑路德维希马克西米利安大学的实验火山学家Corrado Cimarelli说,喷发的热量也很容易将水蒸气输送到更冷、更高的大气层,在那里它变成了冰。这为灰烬碰撞并发电提供了大量额外的颗粒。

但目前无法确定这次喷发产生如此多闪电的原因。“不幸的是,这座火山非常偏远,对羽流附近的大气剖面几乎没有限制,”Cimarelli 说。

赫菲斯蒂安之锤落下

惊人的闪电数量并不是火山灾难性爆炸的唯一前奏。到周六早上,卫星图像显示该岛不再自行建造:火山岛的中部已经消失,这可能是由于爆炸性的上升。

当它最终释放出巨大的爆炸时,冲击波以惊人的速度在全球范围内反弹。紧随其后的是一场海啸,席卷了汤加群岛的几个岛屿,然后横穿太平洋。

贝灵厄姆西华盛顿大学的地震学家和火山学家杰基·卡普兰-奥尔巴赫说,这次爆炸涉及“令人难以置信的能量”。但目前还没有足够的数据来确定海啸的确切原因。

这些事件需要置换大量的水,这可能通过水下爆炸、坍塌事件(大量岩石突然从火山坠入海中)或这些因素和其他因素的组合发生。

由于火山灰柱遮住了火山,而且火山的大部分被淹没在水下,科学家们需要时间来收集更多的间接数据,然后才能得出任何结论。线索可能来自爆炸产生的声波类型,也可能来自火山周围质量的重新分布。

“还没有定论,”卡普兰-奥尔巴赫说,但如此强烈的爆炸和强大的海啸来自这个单一的、相对较小的火山岛,“说明了这次喷发的惊人力量”。虽然不是主要海啸的原因,但冲击波本身引发了另一波大浪:冲击海洋的快速移动的空气强大到足以迫使水移开,这种现象称为气象海啸

新西兰奥克兰大学的火山学家Shane Cronin在最近的一篇博客文章中补充说,火山的化学成分会随着岩浆燃料的演化而发生变化,因此可以从火山的化学成分中找到有关为什么这次事件如此强烈的线索。

与许多其他火山一样,这座火山在一次大喷发后必须重新填充其岩浆库。该地区最后一次发生在 1100 年。从那以后,熔岩一直在深处堆积。当它几乎充满时,少量岩浆从火山中泄漏出来,这很可能是自 2009 年以来记录的喷发的原因。

然而,克罗宁说,“一旦重新充电,大量的岩浆结晶开始推动气体压力上升,速度太快以至于无法通过小型喷发释放。” 必须付出一些代价,当大量的岩浆找到一个开口时,它会猛烈地减压,并且大部分熔融的储层会在一次大爆炸中被疏散。

汤加雾蒙蒙的未来

汤加群岛的存在可能要归功于最初建造其岛屿的地狱势力,但很明显,岛上的生活成本可能很高。王国只有 100,000 人,其中大约四分之一居住在首都,现在他们正被火山灰和海啸包围。

“现在真正重要的最大未知数是我们不知道汤加人的情况,”克里普纳说。 米切尔补充说,这次火山爆发“可能对这个国家造成难以置信的破坏性”。

所以现在出现了每个人都想回答的问题:“这次喷发结束了吗?” 克里普纳说。“我们不知道。”

米切尔说,这种可怕的爆发可能代表了火山浅层岩浆库的有效斩首及其熔融内容物的迅速放血。火山学家将广泛研究这次喷发,这只会提高他们对未来事件的理解,并加强减轻其影响的努力。

但现在要确定这次火山爆发后事情将如何发展还为时过早。

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