汤加今年经历了地球历史上最大的火山喷发

2022 年 1 月 15 日，我们再次意识到地球之下潜伏着巨大的力量。当天，位于南太平洋汤加主岛汤加塔布岛以北约 40 英里处的洪加汤加-洪加哈阿帕伊海底火山猛烈喷发。继 2021 年 12 月 20 日的初次轰鸣之后，1 月份的火山喷发高潮将一股巨大的水柱和火山灰推向空中，深入地球中间层（大气的中间层）36 英里。它引发了一场到达日本和美洲的海啸，甚至切断了海底电缆，切断了汤加与世界其他地区的通信整整一个月。

大约一年后，牛津大学物理系和 RAL Space 的研究人员发表了一项卫星图像研究，证实这次喷发产生了有史以来最高的火山羽流。这也是首次直接观测到火山进入中间层的现象。研究结果今天发表在《科学》杂志上。

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“我实际上是从事天气研究而非火山研究的，这次火山爆发被多颗气象卫星清晰地捕捉到，这促使我开始了这项研究，”主要作者兼研究员西蒙·普劳德在接受PopSci采访时表示。“主要动机是测试这些气象卫星在研究极端事件方面有多大用处。”

科学家通常可以使用红外卫星测量火山羽流顶部的温度，并将其与垂直温度曲线进行比较，从而估算火山羽流的高度。在地球大气层的第一层和最低层，即对流层，温度随高度升高而降低。但是，如果火山喷发的规模足够大，可以将火山羽流推入下一层（平流层），这种方法就不太适用了，因为温度会随高度升高而再次升高。这种升高是由于臭氧层吸收了来自太阳的紫外线辐射。

为了解决这个问题，普劳德和团队采用了一种基于视差效应的方法，即从多个视线观察时物体位置的明显差异。测试此方法的一种方法是闭上右眼，伸出一只手，拇指抬起。如果你换个角度闭上左眼，睁开右眼，拇指会略微移动。然后，你可以通过测量这种明显的位置变化，并将其与已知且易于测量的两眼间距离相结合，计算出拇指的距离。

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“视差效应对此非常有用，因为它不受其他方法的限制。传统上，我们使用羽流的温度来确定它的高度，但这依赖于对不同高度大气温度的准确了解，这在大规模喷发期间是不可能的！”普劳德说。“视差只需要来自不同位置的几张卫星图像，不需要其他信息，所以它简单而准确。”

三颗地球静止气象卫星覆盖了火山的位置，因此该团队利用拍摄的航拍图像并对其应用视差效果。在火山爆发期间，卫星每 10 分钟记录一次图像。这些关键数据确保了羽流轨迹的快速变化能够被记录下来。

根据研究结果，火山柱最高高度达到 35 英里。这一高度高于之前的两项纪录保持者：1991 年菲律宾皮纳图博火山喷发（24 英里高）和 1982 年墨西哥埃尔奇琼火山喷发（19 英里高）。

“当然，高度令人惊讶，”普劳德说。“而且，高度变化的方式——我们看到了一个巨大的高度峰值，然后在 10 分钟后下降，之后又出现了另一个大峰值。看到高度变化如此之大、如此之快，真是令人惊讶。”

该羽流还提供了火山爆发将物质穿过平流层直接注入中间层（距离地球约 31 至 53 英里）的第一个观察证据。

普劳德强调，继续研究这些火山喷发至关重要，以便为处于危险中的人们提供更好的熔岩流或海啸预警和预测。研究这次特定的火山喷发是否对气候建模者有用也很重要。“火山喷发本身对气候的影响相当有限，但它将如此多的水、火山灰和其他碎片喷入大气层的事实，是测试气候模型如何处理这些情况以及它们是否能预测影响的好方法，”他说。

该团队的下一步是构建一个自动化系统，该系统可以使用视差法计算火山羽流的高度。手动计算的完全自动化将加快测量羽流的过程。

对于普劳德来说，有一点很清楚，这种研究不是凭空而来的，需要多个不同研究领域的专业知识才能取得成功。

“我认为这次爆发的关键之处在于，现在科学的不同方面是如何交织在一起的。我们在学校经常被教导，物理、化学和计算机是不同的学科，”他补充道。“但现在它们都紧密相连。我们的研究将工程、物理、数学和大量计算结合在一起。”