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汤加火山喷发,会放缓全球变暖步伐吗?

高热的岩浆与冰冷的海水直接接触,产生剧烈的爆炸,该爆炸会将岩浆进一步撕裂 | 图源:pixabay.com

导  读

当地时间2022年1月15日17时27分,位于南太平洋岛国汤加附近的一座海底火山(洪阿哈阿帕伊岛火山,Hunga Tonga-Hunga Ha'apai)剧烈喷发。此次火山喷发影响到了整个泛太平洋沿岸地区,多国发布海啸预警。

撰文 | 唐颢苏  魏科  徐露露  王宇晨

责编 | 冯灏

1、海底火山威力有多大?

火山喷发是地壳运动的一种表现形式,也是地球内部能量在地表释放的体现。本次汤加火山于1月15日的喷发,可能是21世纪迄今为止最强的火山喷发 [1]。来自太空中的卫星影像实时捕捉到了这一过程,巨大的火山灰和蒸汽被喷入大气层达20 km(热带对流层顶约17~18 km),云层顶部温度跌破-100°C,激发的海啸波威胁到了泛太平洋沿岸各国 [2]。汤加周边的斐济、萨摩亚、瓦努阿图、澳大利亚,太平洋西海岸的日本,太平洋东海岸的美国、智利等国家,纷纷发布了海啸预警。

图1 南太平洋汤加的海底火山爆炸性喷发 | 图源:美国国家海洋和大气管理局(NOAA)

图2 汤加火山喷发的RGB图像,使用卫星红外通道来检测火山灰和二氧化硫气体 | 图源:美国国家海洋和大气管理局(NOAA) 

汤加火山为何会突然喷发?目前资料仍然非常有限。但可以确定的是,汤加附近的这座海底火山坐落于环太平洋火山-地震带上(汤加-克马德克群岛火山弧的一部分),在过去的若干年内,它已经小规模喷发多次(如2009、2014/15、2021),但直到最近这次,才引发全球关注。

本次汤加喷发的火山为一座海底火山,那为何海水不能将火山喷发出的岩浆浇灭呢?通常情况下,若岩浆缓慢上升到海水中,岩浆与海水之间会形成一层薄薄的蒸汽层,该绝缘层的存在会使得岩浆的外表面得以冷却。但是,当岩浆从海底火山剧烈喷出时,该过程就不起作用了。高热的岩浆与冰冷的海水将直接接触,产生剧烈的爆炸,该爆炸会将岩浆进一步撕裂,将其内表面进一步暴露给冷海水,并产生连锁爆炸,最终喷射入天空,形成了巨大的云团,该过程被称为 “燃料-冷却剂相互作用(fuel-coolant interaction)” [3]。

那远在南半球万里之外的局地火山喷发,为何会引起我们生活着的东亚地区的海啸呢?这可能是由于汤加海底火山喷发引起海底滑坡和气压扰动,导致了局地的海啸,又由于海啸的波长非常长(可达百公里量级,属于重力长波的一部分),因此得以传播至东亚地区。此外,海啸波的传播速度与海水深度成正比,当海啸传播至海岸附近时,海水深度变浅,传播速度降低,后浪赶上前浪,便会使得波浪高度倍增,形成数十米高的拍岸巨浪。 

图3 火山爆发引起海啸的几个原因:a) 水下喷发;b) 火山爆炸;c) 火山碎屑流;d) 火山口塌陷;e) 近地面破坏;f) 海底破坏 | 图源:文献[4] 

 

2、全球气候会受到影响吗?

有人认为,火山喷发,就会使得全球温度降低,然而这句话有一些前提条件。要想影响全球气候,火山喷发需要将大量的二氧化硫或其他硫酸盐物质(如硫化氢)注入平流层。在那里,它们将被转化为硫酸(或硫酸盐)气溶胶,这一过程常常持续数周或数月。

平流层,顾名思义,空气以水平运动为主,非常稳定。借助平流层的这种特性,局地火山喷发形成的气溶胶将会弥漫至全球。硫酸盐气溶胶在平流层内可停留数年之久,它们将增强行星反照率,使得更多的太阳入射短波辐射被反射回太空,进一步引起全球平均地表温度下降,这也被称为“遮阳伞”效应。

除了上述直接的辐散冷却效应外,平流层中的硫酸盐气溶胶也可以通过吸收地表长波辐射和部分太阳短波辐射使得平流层增暖,从而调节大气温度梯度,进一步影响大气环流(一种间接的平流效应)。气溶胶的辐散冷却效应和平流效应相互作用,导致地表出现区域性的冷却和增暖。

不同季节两种效应的强度也有差异。例如,在北半球中纬度地区的冬季,平流效应往往占主导地位,在热带大型火山爆发后,北半球大陆的冬季增暖往往会持续2年左右 [5]。

图4 大型火山喷发的气候影响示意图 | 图源:文献[6],图中文字为唐颢苏翻译

图5 在上图中,黑色曲线代表1979年至2018年全球平流层气溶胶光学厚度,它是最常用的衡量气溶胶浓度的物理量;红点代表火山喷发产生的二氧化硫的年排放量。在下图中,圆圈表示1978年10月以来火山喷发卫星测量的二氧化硫排放量和估计的喷发高度 | 图源:文献[7] 

总体来说,火山喷发后的全球降温程度和火山喷发强度成正比。近代最强的一次火山喷发是1815年印度尼西亚的坦博拉(Tambora)火山喷发,它直接造成了1816年欧洲、北美的“无夏之年”,以及随后的欧洲大饥荒。

早期由于缺乏直接的观测手段,火山喷发物含量主要通过岩石演化 [8] 或者冰芯酸度测量推算 [9]。据模拟估算,坦博拉火山喷发造成的全球降温达1℃之高 [10]。1978年,搭载在卫星上的臭氧总量光谱仪(TOMS)被用于监测全球二氧化硫含量,此后,火山排放的二氧化硫得以量化。

从TOMS仪器观测数据来看 [11],1982 年埃尔奇琼(El Chichón)火山喷发向大气输送了近700万吨二氧化硫,导致全球平均气温下降了0.3℃ [12]。最近的一次大型火山喷发是1991年菲律宾的皮纳图博(Pinatubo),它向大气平流层输送了近2000万吨的二氧化硫,直接促使全球气温下降了0.3-0.5℃ [14]。

其实,人们不仅可以感受到万里之外火山喷发带来的气候影响,甚至可以亲眼见到。英国著名浪漫主义风景画家威廉·透纳(William Turner),就曾用他的画笔记录下火山喷发前后天空的景象。这种差异就在于大型火山喷发后,平流层中的气溶胶散布全球,它们会散射入射太阳光,从而使天空呈现橙红色,这是任凭对流层中下再大的雨也冲洗不掉的 [13]。 

图6 左侧为透纳画作《The Harbor of Dieppe》(1826),展现的是欧洲正常的日落美景;右侧为透纳画作《The Lake, Petworth: Sunset, Fighting Bucks》(1829),展示的是火山气溶胶影响下的猩红天空 | 图源:威廉·透纳(J.M.W. Turner) 

那么,本次汤加火山的喷发,是否会将全球拖入 “无夏之年”,引起全球变冷呢?答案是基本上不会。

虽然本次火山喷发强度较强,但是要想影响全球的气候格局,进入平流层的二氧化硫至少得达到数百万吨的量级。目前的卫星监测数据显示,汤加火山注入平流层的二氧化硫含量约40万吨 [15],尚不足以产生太大影响。

1991年皮纳图博火山的火山喷发指数(Volcanic Explosivity Index,VEI)为6,至少从目前来看,汤加火山的喷发还远没有达到这个量级(VEI约为5),如果后期没有更强的喷发,那它的影响将会较为局地。火山喷发指数是衡量火山喷发规模和强度最常用的指标,它的数值范围在0-8之间,是一个对数指标,该指数每增加一个单位,喷发威力都是上一个级别的10倍。

图7 火山喷发指数 | 图源:文献[16]

另外尚存争议但值得讨论的一点是,本次火山喷发是否会对赤道中东太平洋的厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件产生影响?

上世纪末,两次热带大型火山(1991年的皮纳图博火山与1982年的埃尔奇琼火山)喷发后,全球在接下来的一年里变冷,赤道中东太平洋在一年后转入厄尔尼诺事件 [17]。一项利用气候模型开展的研究表明,大型火山喷发似乎可以通过减弱热带东风信风,使赤道中东太平洋转入厄尔尼诺事件 [18]。

两者的关联性依然饱受争议 [19]。一来,气候模式古气候实验模拟的不确定性很大;二来,触发厄尔尼诺事件的因子纷繁复杂,且各种因子会互相调制。因此,2022年底赤道中东太平洋是否会进入厄尔尼诺状态,还有待未来进一步观察。

 

3、利用 “人造” 火山喷发,缓解全球变暖?

既然大型火山喷发后,往往会使得全球气温降低,那通过飞机将硫酸盐颗粒注入平流层,“人造” 出火山喷发后的气候效应,是否可以缓解日益严峻的全球变暖?基于此思想,太阳辐射干预(Solar Radiation Management,SRM)的种种技术应运而生。这些技术试图通过将更多的太阳辐射反射回宇宙空间,以限制甚至扭转人类造成的全球变暖。

对于太阳辐射干预的设想,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)在近期发布的第六次评估报告中做出评论,它确实可以抵消温室气体增加对全球以及区域气候的部分影响(高信度)。然而,在区域或者季节性尺度上,可能会出现大量的过度补偿(如原本增暖的地区会因为入射太阳辐射的极具减弱而过度变冷)或残余(因为入射太阳辐射减弱得不够,该地区依然会增暖)的气候变化,在降温潜力上,依然存在巨大的不确定性 [20]。此外,平流层的技术设想不能阻止生活在对流层的人类继续排放二氧化碳,也就无法减缓次生的海洋酸化、海平面升高等现象(高信度)。 

另一个可见的道德困境是——如果人类有一天真的实施了太阳辐射干预,那么,谁来做那个控制太阳辐射的 “执剑人”?正如全球核战争一旦爆发,核武器爆炸产生的黑烟(黑碳)会注入平流层,使得人类生存的地表严寒如冬。如果太阳辐射干预被肆意使用,最恶劣的后果可能就是以另一种方式给全球带来一个 “核冬天”。

以往火山喷发的真实案例告诉我们,火山喷发后“遮阳伞”效应只能持续若干年,全球气温会在之后逐步恢复。因此,太阳辐射干预需要向平流层内持续不断地注入气溶胶;一旦在未来高二氧化碳排放情景下突然终止注入,气候变化将会快速发生、不可逆转。

总之,缺少减排与二氧化碳移除(Carbon Dioxide Removal,CDR)的太阳辐射干预,无法带领人类走出目前面临的气候困局。

图8 太阳辐射干预实施后可能造成的后果 | 图源:文献[21],图中文字为唐颢苏翻译

图9 观测到的全球年平均地表温度(黑线)和陆表温度(红线)异常,蓝色实线分别表示20世纪初增暖期(1908-1945)、20世纪中期变冷期(1940-1976)、20世纪末快速增暖期(1975-1998)和21世纪初增暖停滞期(2001-2012),紫色竖线表示大型火山喷发,火山喷发并不能改变长期以来的全球变暖趋势 | 图源:文献[22]

 

4、科学预警体系的构建

在本次汤加火山喷发后,泛太平洋沿岸各国都在第一时间发布了海啸预警。

如汤加的邻国澳大利亚,及时发布了覆盖澳大利亚东部沿海大部地区的海啸预警。如此迅速的反应,主要依托于澳大利亚气象局设立的海啸监测系统,该系统使用海啸浮标(Tsunami Buoys)来监测海底地震、火山爆发或者滑坡产生的海啸波。

每个海表浮标都被固定在锚链上,连接到海平面以下数千米的观测平台,平台可以通过压力传感器监测海水深度,并通过声学系统向浮标报告。浮标收到报告后,通过人造卫星将信号传输到陆地。这些浮标能够在深海中实时观测并记录海平面的变化,极大地增强了澳大利亚在海啸到达国境前对其进行早期监测和实时报告的能力。

图10 澳大利亚海啸监测系统 | 图源:文献[23]

我们的邻国日本,是世界上发生地震/火山海啸次数最多且受害最深的国家,也因此建立了世界上最为完备的灾难预警系统之一。如在2011年东日本大地震后,日本在太平洋沿岸建立了两套密集的海底观测网络:DONET和S-net。这两套海底观测网络可以实时观测并记录海啸高度,通过资料同化(data assimilation)实现海啸预警。

当地震发生时,日本气象厅会根据地震观测数据估计次生海啸产生的可能性。如果沿海地区预计出现灾难性海啸,日本气象厅就会根据估计的海啸高度,为每个预计受影响的地区发布海啸预警 [24]。此外,针对日本国土上可能出现的火山爆发,日本气象厅也会根据情况的严重程度,发布四种类型的预警。当人的生命已经或可能因火山爆发活动而丧失,会发布最高级别的“火山警报(volcanic alert)”。

图11 日本DONET海底观测网监测到的海啸讯号,横坐标为时间(日本当地时间1月15日),纵坐标为海啸高度。资料来源:日本防灾科学技术研究所 | 图源:王宇晨

图12 日本最为著名的浮世绘版画——《神奈川冲浪里》,该画以富士山(Mount Fuji,世界上最大的活火山之一)为背景,描绘了“神奈川冲”的巨浪掀卷着渔船,船工们为了生存而努力抗争的图像 | 图源:葛饰北斋

我国也在构建自己的海啸预警系统。国家海洋局海啸预警中心是负责监测和预报海啸,并且发布海啸预警的国家级预报中心。在数值计算方面,预警中心建立了新一代太平洋和南中国海海啸数值的预报系统,对太平洋、西北太平洋及南海的海啸数值预报可分别在5分钟、1分钟和30秒内完成。在观测网络方面,预警中心近期针对马尼拉海沟(Manila Trench)地震引发海啸的可能性进行了深入研究,并分析了海啸预警浮标的可行性。

 

5、结语

科幻作家刘慈欣在小说《流浪地球》中写过:“最初,没有人在意这场灾难,这不过是一场火山,一次海啸,一个物种的灭绝,一座城市的消失。直到这场灾难和每个人都息息相关。”

虽然本次汤加火山的喷发预计不会造成太大的影响,但全球接二连三发生的极端天气值得我们深思。我们人类也是地球系统的一部分,需要学会敬畏自然。

 

作者简介 

唐颢苏,中国科学院大气物理研究所博士生;魏科,中国科学院大气物理研究所副研究员;徐露露,清华大学地球系统科学系博士生;王宇晨,日本海洋研究开发机构(JAMSTEC)研究员。”

 

参考文献:

1. The massive explosion of HungaTonga-Hunga Ha’apai volcano in Tonga on Saturday was its most powerful eruptionsince AD 1100.https://www.newscientist.com/article/2304822-volcano-eruption-in-tonga-was-a-once-in-a-millennium-event/

2. https://reliefweb.int/disaster/vo-2022-000005-ton

3. Peckover R S , Buchanan J , Ashby E T F. Fuel–Coolant Interactions in Submarine Vulcanism[J]. Nature, 1973,245(5424):307-308.

4. Mutaqin B W , Lavigne F , Hadmoko D S ,et al. Volcanic Eruption-Induced Tsunami in Indonesia: A Review[J]. IOPConference Series Earth and Environmental Science, 2019, 256:012023.

5. Shindell, D. T., et al. (2004), Dynamicwinter climate response to large tropical volcanic eruptions since 1600, J.Geophys Res., 109, D05104.

6. https://mpimet.mpg.de/en/communication/focus-on/climate-response-of-volcanic-eruptions

7. Carn, S. A. (2021), Multi-SatelliteVolcanic Sulfur Dioxide L4 Long-Term Global Database V4, USA, Goddard EarthSci. Data and Inf. Serv. Cent., Greenbelt, Md.

8. Palais, J.M. and Sigurdsson, H (1989).Petrologic evidence of volatile emissions for major historic and prehistoriceruptions. AGU Monograph 52, 31-53

9. Robock, A., & Free, M. P. (1995).Ice cores as an index of global volcanism from 1850 to the present. Journal ofGeophysical Research, 100(D6), 11549. doi:10.1029/95jd00825

10. Kandlbauer, J., Hopcroft, P. O.,Valdes, P. J., & Sparks, R. S. J. (2013). Climate and carbon cycle responseto the 1815 Tambora volcanic eruption. Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 118(22), 12,497–12,507

11. Bluth, G. J. S., et al (1992), Globaltracking of the SO2 clouds from the June 1991 Mount Pinatubo eruptions,Geophys.Res. Lett., 19, 151-154.

12. Hofmann, D. J. (1987). Perturbations tothe global atmosphere associated with the El Chichon volcanic eruption of 1982.Reviews of Geophysics, 25(4), 743.

13. https://mp.weixin.qq.com/s/wIeo3eAF9dEBOJgVy29KZw

14. J. Proctor, S. Hsiang, J. Burney, M.Burke, W. Schlenker, Estimating global agricultural effects of geoengineeringusing volcanic eruptions. Nature 560, 480–483 (2018).

15. https://twitter.com/simoncarn/status/1482898563831054354

16. https://www.blinklearning.com/coursePlayer/clases2.php?idclase=19028819&idcurso=453599

17. Liu, F., and Coauthors, 2020: Could therecent Taal Volcano eruption trigger an El Niño and lead to Eurasian warming?Adv. Atmos. Sci., 37(7).

18. Predybaylo, E., G. L. Stenchikov, A. T.Wittenberg, and F. Zeng (2017), Impacts of a Pinatubo-Size Volcanic Eruption onENSO, J. Geophys. Res. Atmos., 122, 925–947.

19. Dee G. S., K. M. Cobb, J. Emilie-Geay,T. R. Ault, R. L. Edwards, H. Cheng, C. D. Charles (2020), No consistent ENSOresponse to volcanic forcing over the last millennium, Science, 367.

20. IPCC. (2021). IPCC Sixth AssessmentReport: Working Group I Report, ‘The Physical Science Basis’. Cambridge, UnitedKingdom and New York. Cambridge University Press.

21. Tollefson J . First sun-dimmingexperiment will test a way to cool Earth[J]. Nature, 2018, 563(7733):613-615.

22. Yao S L , Luo J J , Huang G ,et al. Distinct global warming rates tied to multiple ocean surface temperaturechanges[J]. Nature Climate Change, 2017.

23. http://www.bom.gov.au/tsunami/about/detection_buoys.shtml

24. https://www.jma.go.jp/jma/index.html

 



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