湯加火山噴發(fā)，熾熱巖漿的噴出卻可能造成全球氣溫下降？

近日，湯加海域Hunga Tonga火山（20.5°S，175.4°W）發(fā)生噴發(fā)并引發(fā)大范圍海嘯。

H8衛(wèi)星云圖上的湯加火山噴發(fā)

（圖片來源：JMA）

據(jù)新華社報道，湯加首都努庫阿洛法以北約65公里處的洪阿哈阿帕伊島于2022年1月14日（北京時間）上午開始發(fā)生火山噴發(fā)，15日下午再次噴發(fā)?；鹕降膰姲l(fā)導(dǎo)致大量火山灰、氣體與水蒸氣進(jìn)入高空形成巨大云團(tuán)，噴發(fā)至高空20千米處。

H8衛(wèi)星云圖上的火山噴發(fā)

（圖片來源：tropicaltidibits）

在14日火山噴發(fā)后，湯加國家海嘯預(yù)警中心發(fā)布了全國海嘯預(yù)警。氣象局表示，湯加全境面臨海嘯、暴雨、洪水和強風(fēng)威脅，火山15日噴發(fā)造成海水倒灌，首都努庫阿洛法的主要街道都被洪水淹沒，不少建筑物被淹。

湯加火山噴發(fā)時的衛(wèi)星照片

（圖片來源：看看新聞）

火山噴發(fā)的巨大威力引起多個國家的部分地區(qū)海水活動異常，斐濟、薩摩亞、瓦努阿圖、新西蘭、澳大利亞、日本、美國和智利等國也發(fā)布了海嘯預(yù)警。

Part.1

無夏之年：火山噴發(fā)與氣候有什么關(guān)系？

如果你認(rèn)為火山噴發(fā)只會導(dǎo)致巖漿肆虐灼燒大地，或是沿海地區(qū)發(fā)生海嘯災(zāi)難，那就大錯特錯了。

除了給當(dāng)?shù)孛癖娫斐删薮蟮纳拓敭a(chǎn)損失外，火山噴發(fā)還能持續(xù)影響氣候變化，例如夏季氣溫偏低、降雨量異常等，而且強度很大。

歷史上，火山噴發(fā)就曾導(dǎo)致“無夏之年”。1815年印度尼西亞坦博拉（Tambora）火山爆發(fā)導(dǎo)致北半球出現(xiàn)嚴(yán)重反常氣候，夏季出現(xiàn)了罕見的低溫和暴風(fēng)雪，影響波及歐美亞三大洲。坦博拉火山噴發(fā)也導(dǎo)致了我國大范圍出現(xiàn)低溫，莊稼歉收，是云南三年大饑荒的直接原因。

在最近一千年的氣候波動中，火山活動是影響氣溫變化的重要因子。

IPCC AR4報告中火山活動對近千年來氣溫波動的影響示意圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

火山爆發(fā)指數(shù)（Volcanic Explosivity Index，簡稱VEI）是由美國地質(zhì)調(diào)查局的紐豪爾教授和夏威夷大學(xué)馬諾阿分校的斯蒂芬塞爾夫提出的。它通過對噴出物體積、火山云的定性觀測來量度火山爆發(fā)的強烈程度，數(shù)值越大，代表火山爆發(fā)強度范圍能量釋放以及對周圍的破壞程度越強。

火山爆發(fā)指數(shù)及其特征

（表格來源：參考文獻(xiàn)7）

導(dǎo)致“無夏之年”的印度尼西亞坦博拉火山爆發(fā)指數(shù)（VEI）是7，而有跡象表明本次湯加火山爆發(fā)的VEI指數(shù)可能達(dá)到6。此前一次VEI達(dá)6級的是1991年菲律賓的皮納圖博（Pinatubo)火山噴發(fā)，令全球氣溫低于正常值0.3-0.5度。

Part.2

明明是熾熱的巖漿，為什么會導(dǎo)致氣候變冷？

那么，火山噴發(fā)為什么會和氣候產(chǎn)生關(guān)聯(lián)呢？研究表明，火山活動對氣候系統(tǒng)的影響機制主要包含以下幾點：

第一，火山灰顆粒阻擋太陽輻射。火山活動可以釋放出大量熾熱的火山灰和氣體，進(jìn)入大氣層中的火山灰可以有效地阻擋太陽輻射，導(dǎo)致氣溫降低。并且火山灰顆粒的體積和重量較大，在大氣中的滯留時間比較長，一般介于6-12個月之間。

例如1980年美國華盛頓州的圣海倫斯火山（Mount St. Helens）噴發(fā)時，研究者根據(jù)觀測點記錄的地面氣象資料統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，由于火山灰的影響，噴發(fā)當(dāng)日白天的氣溫下降了足足有８℃。

第二，硫酸氣溶膠散射和反射太陽輻射。強火山噴發(fā)把大量含硫氣體注入大氣層，這些氣體經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)在平流層下部形成硫化物氣溶膠，同時還通過改變整個大氣中的SO2、CO2、H2S、CH4以及微小固體顆粒物平衡，造成大氣層的光化學(xué)過程異常。

氣溶膠與水汽混合形成火山云，使到達(dá)地表的直接太陽輻射顯著減少，散射太陽輻射增加，從而導(dǎo)致地表總輻射減少，造成降溫。此外，平流層硫化物氣溶膠顆粒還會吸收近紅外波段短波輻射、地表及低層大氣發(fā)射的長波輻射，使平流層增溫。

火山云隨大氣環(huán)流在2-3周內(nèi)迅速蔓延至全球，更有甚者會影響全球氣候。一次較大的火山噴發(fā)可以導(dǎo)致全球氣溫降低0.2-0.5℃。平流層不存在降水的清洗作用，因此火山氣溶膠持續(xù)滯留的時間可達(dá)2-3年。

例如，1991年菲律賓的皮納圖博火山噴發(fā)時，據(jù)裝備在衛(wèi)星上測量全球臭氧濃度的儀器實時監(jiān)測結(jié)果顯示，超過20×10^12g（Tg）的氣態(tài)二氧化硫和火山灰物質(zhì)被輸送到大氣平流層中。經(jīng)過一系列反應(yīng)，這些火山物質(zhì)最終產(chǎn)生了約30×10^12g的H2SO4／H2O氣溶膠。在火山噴發(fā)后的兩年內(nèi)，氣溶膠對氣候仍在不斷產(chǎn)生影響。

第三，火山噴發(fā)產(chǎn)生的氣溶膠會影響平流層中臭氧的化學(xué)反應(yīng)。平流層臭氧的生成與消減會影響平流層紫外輻射的通量。火山噴發(fā)物氣溶膠不僅可以影響平流層氣溫，還可以提供更多的氣溶膠表面作為臭氧的反應(yīng)場所，從而改變化學(xué)反應(yīng)的速率，降低平流層臭氧濃度，減少紫外輻射吸收，減少平流層底部的輻射加熱。但由于火山噴發(fā)物氣溶膠對其它波段和地面長波輻射的吸收，總體仍然致使平流層溫度升高。

第四，火山噴發(fā)還會通過影響局地大氣環(huán)流系統(tǒng)從而影響氣候。了解了幾個真實事件后或許你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，強度較大的火山事件通常會導(dǎo)致夏季降溫。但在冬季，北美洲和歐亞大陸大部分地區(qū)氣溫的升降以及變化的幅度則取決于噴發(fā)點的位置。

近幾十年爆發(fā)于熱帶地區(qū)的兩次火山事件均引起噴發(fā)當(dāng)年北美和歐洲部分地區(qū)冬季氣溫的升高。在這種情境下，低壓系統(tǒng)和冷空氣長時間滯留于高緯度地區(qū)，導(dǎo)致更強的西風(fēng)環(huán)流攜帶更多的海洋暖濕空氣進(jìn)入陸地，從而導(dǎo)致受影響地區(qū)冬季氣溫的升高。

火山噴發(fā)對氣候影響示意圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

我國氣候受強火山噴發(fā)的影響也較為顯著，許多年際氣候異常與強火山噴發(fā)事件脫不了干系。例如，1991年菲律賓的皮納圖博火山爆發(fā)后，1992年中國出現(xiàn)了大范圍的夏秋季氣溫偏低現(xiàn)象，東北至內(nèi)蒙地區(qū)和長江下游地區(qū)還出現(xiàn)了不同程度的冷害。

針對強火山噴發(fā)后我國溫度變化的趨勢，相關(guān)研究表明，在強火山噴發(fā)后的1-2年，我國溫度基本以下降為主，但降溫強度存在顯著的區(qū)域與季節(jié)差異。我國冬半年溫度變化明顯的區(qū)域主要集中在青藏、東中部地區(qū)，其次為東南地區(qū)，最后為西北和東北地區(qū)。

不同緯度、不同季節(jié)的強火山噴發(fā)對我國冬半年溫度區(qū)域差異影響

（圖片來源：參考文獻(xiàn)3）

我國夏半年溫度變化受火山噴發(fā)影響的區(qū)域較冬半年偏少，主要集中在青藏和東北地區(qū)，且各區(qū)域升、降溫變化差異明顯。

不同緯度、不同季節(jié)的強火山噴發(fā)對我國夏半年溫度區(qū)域差異影響

（圖片來源：參考文獻(xiàn)3）

Part.3

樹木年輪和冰芯：來自大自然的司馬遷

除了衛(wèi)星監(jiān)測，人類還可以通過哪些方式了解火山活動呢？其實，大自然什么都知道?；鹕交顒訉鉁?、降水等產(chǎn)生的影響，會被樹木年輪、珊瑚、石筍等介質(zhì)所記錄，為科學(xué)家研究火山噴發(fā)對氣候的影響提供了參考資料。

樹木年輪以其分辨率高、復(fù)本量大、定年準(zhǔn)確和分布范圍廣等特點，為確定歷史強火山噴發(fā)時間及研究其對氣候變化影響提供了重要支持。早在20世紀(jì)30年代，美國研究人員就開始利用樹輪資料對火山事件進(jìn)行定年，研究者通過對比美國西部過去5000多年樹木的霜輪與氣象事件及主要火山活動的關(guān)系，認(rèn)為強火山噴發(fā)是出現(xiàn)霜輪的因素之一。

樹干橫切面上的年輪

（圖片來源：Wikipedia）

還有研究表明火山噴發(fā)后引起的夏季低溫是樹木淺輪形成的一個重要因素。如1398-1982年，加拿大魁北克北部66%的淺輪發(fā)生年與火山噴發(fā)活動吻合。概括來說，樹木中的特征輪在一定條件下可以作為確定火山噴發(fā)時間的直接證據(jù)。

除了樹木外，冰也是一個優(yōu)秀的記錄者。火山噴發(fā)物質(zhì)或次生氣溶膠可以隨大氣環(huán)流傳輸至極地冰蓋和山地冰川區(qū)并保存于冰中。與其他介質(zhì)相比，冰芯以其分辨率高、時間序列長、能夠真實記錄火山噴發(fā)物質(zhì)等特點，在火山活動研究中具有其他介質(zhì)所不可比擬的優(yōu)勢。

從鉆頭中取出的冰芯樣本

（圖片來源：Wikipedia）

20世紀(jì)70年代，丹麥冰川學(xué)家首次認(rèn)識到冰芯中酸性物質(zhì)（主要是硫酸）濃度的異常變化可以反映火山活動，并成功利用格陵蘭3支冰芯重建了過去200年的火山歷史。此后，眾多的南極和格陵蘭冰蓋以及山地冰芯被用于對火山沉積歷史的重建與研究。研究人員可以通過對冰芯中各斷代層的化學(xué)成分、粒子含量等要素進(jìn)行測定，來度量一些重要的火山噴發(fā)參數(shù)。

雖然湯加火山的爆發(fā)暫未對中國沿岸造成災(zāi)害性影響，且截至當(dāng)前暫無中國公民傷亡報告，但是此次火山噴發(fā)將如何影響中國乃至全球氣候，仍需要更多的數(shù)據(jù)，也需要有關(guān)專家的進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn):

1.新華社北京1月16日電 綜述：湯加海底火山噴發(fā) 多國發(fā)布海嘯預(yù)警

2.李傳金,任賈文,秦大河,效存德,侯書貴,丁明虎.火山活動的氣候影響及其冰芯記錄研究進(jìn)展[J].冰川凍土,2012,34(04):863-876.

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8.每日經(jīng)濟新聞1月16日快訊 湯加海底火山噴發(fā)，中國沿海海域16日凌晨監(jiān)測到海嘯波

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