为什么汤加火山爆发会载入火山学史册

1月15日摧毁汤加的火山爆发仅持续了11个小时，但科学家们需要数年时间才能弄清楚这场灾难性爆炸期间究竟发生了什么，以及它对未来火山风险意味着什么。

这座火山被命名为Hunga Tonga - Hunga Ha 'apai，火山喷发出的火山灰冲入高层大气，引发海啸，摧毁了汤加附近岛屿上的房屋。火山喷发的回声在地球上盘旋了好几圈。

一系列精密的地球观测卫星捕捉到了这次爆炸的非凡威力，这对火山爆发的物理理论提出了挑战。研究人员发现，很难解释为什么火山将云喷射到如此高的高度，但释放的火山灰却比如此大规模的喷发所预期的要少。在大气和海洋中荡漾的冲击波与现代科学时代所见的任何冲击波都不同。

Hunga Tonga-Hunga Ha 'apai火山的爆发迫使科学家重新思考他们对潜伏在太平洋波浪下的许多海底火山所构成的危险的看法。

新西兰陶波GNS科学公司的火山学家尼科·富尼耶说:“这基本上是撕开了我们对水下发生的事情缺乏了解的创可贴。”

新鲜的危险

火山喷发发生在距离汤加首都努库阿洛法仅65公里的地方，对生活在汤加的10多万人来说是一场灾难。他们正在努力清除覆盖一切的厚厚的火山灰层，建立清洁的饮用水供应，并从作物损失中恢复，估计损失约为3900万汤安帕昂加(1700万美元)。汤加火山喷发造成至少三人死亡。COVID-19加剧了危机，汤加人面临第一波病例，这是在其他国家的救援船只抵达后开始的。

但地震仍在震动该地区，火山爆发的危险可能还没有结束。对1月15日喷发的火山灰的初步研究表明，它是由地球内部升起的一批新岩浆提供的。Hunga Tonga - Hunga Ha 'apai可能继续活跃一段时间，但对汤加人民的影响尚不确定。

汤加火山喷发如何帮助太空科学家了解火星

地球科学家为该地区的人们提供未来风险的良好感知的能力有限。“希望火山学能为当地人民提供更多信息，这是一种非常困难的情况，”华盛顿特区史密森学会全球火山项目的火山学家、常驻新西兰的Janine Krippner说。“但现在，情况并非如此。”

Hunga Tonga-Hunga Ha 'apai大部分都在水下。它从海底升起2000多米，是汤加-克马德克火山弧的一部分。这串大部分在水下的火山位于一个巨大的地质碰撞带之上，在那里，地壳太平洋板块的西部边缘俯冲到印度-澳大利亚板块之下。太平洋板块的边缘下沉到地球深处时温度升高，熔融的岩石上升，为汤加-克马德克弧的火山提供了养分。

地质证据表明，大约每千年有一次大喷发震动了Hunga Tonga-Hunga Ha 'apai，在大约千年左右发生了巨大的爆炸广告200年和广告1100.在过去的一个世纪里，1937年和1988年发生了较小的地震。到那时，火山顶部已经露出海面，形成了两个小岛，分别叫Hunga Tonga和Hunga Ha’apai。

2009年，Hunga Ha’apai火山开始喷发火山灰和蒸汽。2014年12月和2015年1月，另一次火山喷发形成了连接两个岛屿的新陆地，形成了一个单一的大陆块^1,2．

几个研究小组在新岛屿形成后不久就访问了它，并收集了火山灰和岩石样本。该物质的地球化学分析，在一篇论文中描述Lithos^3.他发现，2009年和2014-15年的火山爆发所涉及的熔融岩石最近并没有从地幔深处冒出来。

相反，它在一个地质中转站停留了一段时间，这是一个位于地壳5-8公里深处的岩浆库。在那里，岩浆在最终喷发到地表之前，经历了一些明显的化学变化，几乎就像葡萄酒在桶中老化一样。

今年1月爆发的岩浆则有所不同。新西兰奥克兰大学的火山学家Shane Cronin和他的同事分析了军事救援人员在汤加最大岛屿的机场附近捡到的火山灰。化学分析表明，这次喷发与2014-15年的喷发有所不同。克罗宁说，新鲜的岩浆迅速上升，没有花太多时间在埋藏的岩浆库中发生化学变化。

地质学家Taaniela Kula和他在努库阿罗法的汤加地质服务局的同事们一直在收集汤加各地岛屿上的火山灰样本，克罗宁和其他人正在分析这些样本。通过研究来自不同岛屿的火山灰，包括记录火山灰的厚度和分布范围，研究人员将能够更好地了解火山爆发的过程。

令人惊讶的是，考虑到爆炸的规模，喷出的火山灰似乎相对较少。这可能是由于Hunga Tonga-Hunga Ha’apai火山爆发时的环境造成的:在水下，但深度相对较浅。

水因素

深海中的火山很少以大爆炸的形式从海洋表面爆发，因为上面的水的压力阻止气泡形成并以爆发力增长。但是1月15日在Hunga Tonga-Hunga Ha 'apai爆发的火山喷口只有几十到250米深。这个深度足够浅，水不会抑制爆炸的力量，但也足够深，喷发的岩浆会遇到大量的水。

水可以通过快速加热形成蒸汽来加速爆炸喷发，而蒸汽会迅速膨胀。加州大学伯克利分校的地球科学家迈克尔·曼加(Michael Manga)说，通过这种方式，它可以有效地将岩浆的热能转化为喷发的动能。他说:“一些最强大的喷发是通过水发生的。”

汤加火山爆发在地球大气中产生了令人费解的涟漪

另一个重要因素是火山气体在喷发前混入了多少岩浆。澳大利亚墨尔本莫纳什大学的火山学家和名誉教授Raymond Cas说，富含气体的岩浆上涌可能通过提供大量气泡来加速爆炸，为1月15日的喷发提供了燃料。

卡斯说，Hunga Tonga-Hunga Ha 'apai火山的喷发不同寻常，因为它结合了通常不会一起出现的特征。火山学家知道其他发生在水下或冰雪下的火山爆发的例子，因此包含了水。科学家们还看到了高耸入云的极高喷发羽状物。但Hunga Tonga-Hunga Ha 'apai是两者同时发生的独特例子。他说，它最终可能成为一种新发现的喷发类型的原型。

大多数海底喷发不会产生特别高的羽状物。例如，2012年，新西兰北部的阿弗尔火山在深海大规模喷发，主要产生了大量漂浮的轻质浮石⁴．那次喷发发生在900多米深的地方。田纳西州纳什维尔范德比尔特大学的火山科学家克里斯汀·法里亚说:“我们很少看到大型羽状物冲出海洋表面。”

然而，Hunga Tonga-Hunga Ha 'apai火山喷发的烟柱飙升至至少30公里的高度，进入高层大气或平流层。这是如此之高，以至于研究人员一直在努力了解它可能产生的长期影响。高分辨率的卫星图像使他们能够追踪火山灰、气体和某些化学物质是如何在大气中漂移的——比1991年更详细，当时菲律宾的皮纳图博火山爆发的强度比洪加汤加洪加哈帕伊火山还要大。位于奥伯法芬霍芬的德国航空航天中心的火山学家安雅·施密特说:“我们从未见过这样的情况。”

汤加火山喷发的二氧化硫不足以改变全球气候，而其他一些火山喷发的二氧化硫却足以改变全球气候。据估计，它排出了40万吨二氧化硫₂而1991年皮纳图博火山喷发则喷发了近2000万吨。那次爆炸使地球暂时冷却了近0.5°C，因为硫形成了硫酸盐颗粒，将部分太阳辐射反射回太空。

火山新科学利用人工智能、卫星和气体传感器来预测火山爆发

对这种差异的一种可能解释是，SO占了很大一部分₂Hunga Ha ' apai可能是在羽流变得太高之前，在低空从羽流中“掉出来”的。但是Hunga Tonga-Hunga Ha 'apai火山确实把火山灰扔进了平流层，研究人员将寻找任何对气候产生影响的迹象，Schmidt说。他们还将观察火山物质是否会破坏平流层臭氧，以及火山喷发释放的大气波是否会影响未来几个月的大气环流模式。

早期的发现可能来自汤加火山喷发羽流中放飞的气球实验。几个研究小组已经从印度洋的La Réunion岛发射了携带仪器的气球。科罗拉多州博尔德市环境科学合作研究所的大气科学家伊丽莎白·阿舍说，由美国国家海洋和大气管理局领导的一项这样的努力，能够测量到烟柱在La Réunion上空漂移时高达28公里的火山颗粒。这是如此之高，以至于她预计火山喷发对大气的影响会比强度较小的火山喷发持续更长的时间。

涟漪效应

另一个可能重塑火山学的方面是Hunga Tonga-Hunga Ha 'apai释放出丰富多样的波浪，在海洋和大气中涟漪。位于新泽西州新不伦瑞克的罗格斯大学的气候科学家艾伦·罗博克说，火山在世界各地引起的反响让人想起了1883年印度尼西亚喀拉喀托火山爆发后的景象。上个月的火山喷发引发了压力波和重力波在太平洋周围的大气和海啸波中，甚至在遥远的海洋盆地中。GPS卫星还探测到了电离层的扰动，电离层位于平流层之上，从80-90公里的高度开始。

富尼耶说:“我们还没有把这个谜题的很大一部分拼在一起。”

现在的挑战是收集足够的数据来完成这个谜题。火山学家通常会使用地震仪监测活火山，以研究周围地区的地震。汤加目前没有活跃的地震仪，因此自1月15日爆发以来，在Hunga汤加- Hunga Ha’apai附近发生的大地震没有被详细跟踪。然而，克罗宁说，现有的数据表明，地震是由新的岩浆上升到地壳中，以补充因大喷发而清空的水库而产生的。

另一项优先任务是调查火山周围的海底，看看在之前的调查中，水下结构的哪些部分已经爆炸或发生了其他变化。卫星雷达图像显示，火山顶部已经下沉了至少10米，克罗宁说。但现在接近火山进行科学调查太危险了。

一些早期的数据可能来自一直在汤加附近航行的救援船只，比如一艘负责修复连接汤加和斐济的海底电缆的船只。这条线路在火山爆发时被切断，切断了国际通讯。电缆可能被火山一侧的山体滑坡所掩埋，或者被切断了几个地方。

每个人最关心的是Hunga Tonga-Hunga Ha 'apai下一步可能会做什么。一组国际专家正在向汤加地质局提供信息，帮助汤加政府评估风险并决定采取何种措施。研究人员正在权衡三种可能的情况:喷发可能会结束，可能会以低水平继续，或者可能会有另一次大规模爆炸。克罗宁说:“所有这些场景都仍然存在。

施密特说，不管这座火山在不久的将来会发生什么，这次喷发让火山学家在更广泛的范围内重新思考海底火山的危险。“这清楚地提醒我们，这种类型的火山是存在的，它们构成了危险，而且它们的研究还不够充分。”