湯加火山噴發(fā) 會(huì)放緩全球變暖步伐嗎？
高熱的巖漿與冰冷的海水直接接觸，產(chǎn)生劇烈的爆炸，該爆炸會(huì)將巖漿進(jìn)一步撕裂 | 圖源：pixabay.com
撰文 | 唐顥蘇 魏科 徐露露 王宇晨
責(zé)編 | 馮灝
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海底火山威力有多大？
火山噴發(fā)是地殼運(yùn)動(dòng)的一種表現(xiàn)形式，也是地球內(nèi)部能量在地表釋放的體現(xiàn)。本次湯加火山于1月15日的噴發(fā)，可能是21世紀(jì)迄今為止最強(qiáng)的火山噴發(fā) [1]。來(lái)自太空中的衛(wèi)星影像實(shí)時(shí)捕捉到了這一過(guò)程，巨大的火山灰和蒸汽被噴入大氣層達(dá)20 km（熱帶對(duì)流層頂約17~18 km），云層頂部溫度跌破-100°C，激發(fā)的海嘯波威脅到了泛太平洋沿岸各國(guó) [2]。湯加周邊的斐濟(jì)、薩摩亞、瓦努阿圖、澳大利亞，太平洋西海岸的日本，太平洋東海岸的美國(guó)、智利等國(guó)家，紛紛發(fā)布了海嘯預(yù)警。
湯加火山為何會(huì)突然噴發(fā)？目前資料仍然非常有限。但可以確定的是，湯加附近的這座海底火山坐落于環(huán)太平洋火山-地震帶上（湯加-克馬德克群島火山弧的一部分），在過(guò)去的若干年內(nèi)，它已經(jīng)小規(guī)模噴發(fā)多次（如2009、2014/15、2021），但直到最近這次，才引發(fā)全球關(guān)注。
本次湯加噴發(fā)的火山為一座海底火山，那為何海水不能將火山噴發(fā)出的巖漿澆滅呢？通常情況下，若巖漿緩慢上升到海水中，巖漿與海水之間會(huì)形成一層薄薄的蒸汽層，該絕緣層的存在會(huì)使得巖漿的外表面得以冷卻。但是，當(dāng)巖漿從海底火山劇烈噴出時(shí)，該過(guò)程就不起作用了。高熱的巖漿與冰冷的海水將直接接觸，產(chǎn)生劇烈的爆炸，該爆炸會(huì)將巖漿進(jìn)一步撕裂，將其內(nèi)表面進(jìn)一步暴露給冷海水，并產(chǎn)生連鎖爆炸，最終噴射入天空，形成了巨大的云團(tuán)，該過(guò)程被稱為 “燃料-冷卻劑相互作用（fuel-coolant interaction）” [3]。
那遠(yuǎn)在南半球萬(wàn)里之外的局地火山噴發(fā)，為何會(huì)引起我們生活著的東亞地區(qū)的海嘯呢？這可能是由于湯加海底火山噴發(fā)引起海底滑坡和氣壓擾動(dòng)，導(dǎo)致了局地的海嘯，又由于海嘯的波長(zhǎng)非常長(zhǎng)（可達(dá)百公里量級(jí)，屬于重力長(zhǎng)波的一部分），因此得以傳播至東亞地區(qū)。此外，海嘯波的傳播速度與海水深度成正比，當(dāng)海嘯傳播至海岸附近時(shí)，海水深度變淺，傳播速度降低，后浪趕上前浪，便會(huì)使得波浪高度倍增，形成數(shù)十米高的拍岸巨浪。
全球氣候會(huì)受到影響嗎？
有人認(rèn)為，火山噴發(fā)，就會(huì)使得全球溫度降低，然而這句話有一些前提條件。要想影響全球氣候，火山噴發(fā)需要將大量的二氧化硫或其他硫酸鹽物質(zhì)（如硫化氫）注入平流層。在那里，它們將被轉(zhuǎn)化為硫酸（或硫酸鹽）氣溶膠，這一過(guò)程常常持續(xù)數(shù)周或數(shù)月。
平流層，顧名思義，空氣以水平運(yùn)動(dòng)為主，非常穩(wěn)定。借助平流層的這種特性，局地火山噴發(fā)形成的氣溶膠將會(huì)彌漫至全球。硫酸鹽氣溶膠在平流層內(nèi)可停留數(shù)年之久，它們將增強(qiáng)行星反照率，使得更多的太陽(yáng)入射短波輻射被反射回太空，進(jìn)一步引起全球平均地表溫度下降，這也被稱為“遮陽(yáng)傘”效應(yīng)。
除了上述直接的輻散冷卻效應(yīng)外，平流層中的硫酸鹽氣溶膠也可以通過(guò)吸收地表長(zhǎng)波輻射和部分太陽(yáng)短波輻射使得平流層增暖，從而調(diào)節(jié)大氣溫度梯度，進(jìn)一步影響大氣環(huán)流（一種間接的平流效應(yīng)）。氣溶膠的輻散冷卻效應(yīng)和平流效應(yīng)相互作用，導(dǎo)致地表出現(xiàn)區(qū)域性的冷卻和增暖。
不同季節(jié)兩種效應(yīng)的強(qiáng)度也有差異。例如，在北半球中緯度地區(qū)的冬季，平流效應(yīng)往往占主導(dǎo)地位，在熱帶大型火山爆發(fā)后，北半球大陸的冬季增暖往往會(huì)持續(xù)2年左右 [5]。
總體來(lái)說(shuō)，火山噴發(fā)后的全球降溫程度和火山噴發(fā)強(qiáng)度成正比。近代最強(qiáng)的一次火山噴發(fā)是1815年印度尼西亞的坦博拉（Tambora）火山噴發(fā)，它直接造成了1816年歐洲、北美的“無(wú)夏之年”，以及隨后的歐洲大饑荒。
早期由于缺乏直接的觀測(cè)手段，火山噴發(fā)物含量主要通過(guò)巖石演化 [8] 或者冰芯酸度測(cè)量推算 [9]。據(jù)模擬估算，坦博拉火山噴發(fā)造成的全球降溫達(dá)1℃之高 [10]。1978年，搭載在衛(wèi)星上的臭氧總量光譜儀（TOMS）被用于監(jiān)測(cè)全球二氧化硫含量，此后，火山排放的二氧化硫得以量化。
從TOMS儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看 [11]，1982 年埃爾奇瓊（El Chichón）火山噴發(fā)向大氣輸送了近700萬(wàn)噸二氧化硫，導(dǎo)致全球平均氣溫下降了0.3℃ [12]。最近的一次大型火山噴發(fā)是1991年菲律賓的皮納圖博（Pinatubo），它向大氣平流層輸送了近2000萬(wàn)噸的二氧化硫，直接促使全球氣溫下降了0.3-0.5℃ [14]。
那么，本次湯加火山的噴發(fā)，是否會(huì)將全球拖入 “無(wú)夏之年”，引起全球變冷呢？答案是基本上不會(huì)。
雖然本次火山噴發(fā)強(qiáng)度較強(qiáng)，但是要想影響全球的氣候格局，進(jìn)入平流層的二氧化硫至少得達(dá)到數(shù)百萬(wàn)噸的量級(jí)。目前的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，湯加火山注入平流層的二氧化硫含量約40萬(wàn)噸 [15]，尚不足以產(chǎn)生太大影響。
1991年皮納圖博火山的火山噴發(fā)指數(shù)（Volcanic Explosivity Index，VEI）為6，至少?gòu)哪壳皝?lái)看，湯加火山的噴發(fā)還遠(yuǎn)沒有達(dá)到這個(gè)量級(jí)（VEI約為5），如果后期沒有更強(qiáng)的噴發(fā)，那它的影響將會(huì)較為局地。火山噴發(fā)指數(shù)是衡量火山噴發(fā)規(guī)模和強(qiáng)度最常用的指標(biāo)，它的數(shù)值范圍在0-8之間，是一個(gè)對(duì)數(shù)指標(biāo)，該指數(shù)每增加一個(gè)單位，噴發(fā)威力都是上一個(gè)級(jí)別的10倍。
另外尚存爭(zhēng)議但值得討論的一點(diǎn)是，本次火山噴發(fā)是否會(huì)對(duì)赤道中東太平洋的厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（ENSO）事件產(chǎn)生影響？
上世紀(jì)末，兩次熱帶大型火山（1991年的皮納圖博火山與1982年的埃爾奇瓊火山）噴發(fā)后，全球在接下來(lái)的一年里變冷，赤道中東太平洋在一年后轉(zhuǎn)入厄爾尼諾事件 [17]。一項(xiàng)利用氣候模型開展的研究表明，大型火山噴發(fā)似乎可以通過(guò)減弱熱帶東風(fēng)信風(fēng)，使赤道中東太平洋轉(zhuǎn)入厄爾尼諾事件 [18]。
兩者的關(guān)聯(lián)性依然飽受爭(zhēng)議 [19]。一來(lái)，氣候模式古氣候?qū)嶒?yàn)?zāi)M的不確定性很大；二來(lái)，觸發(fā)厄爾尼諾事件的因子紛繁復(fù)雜，且各種因子會(huì)互相調(diào)制。因此，2022年底赤道中東太平洋是否會(huì)進(jìn)入厄爾尼諾狀態(tài)，還有待未來(lái)進(jìn)一步觀察。
利用 “人造” 火山噴發(fā)，緩解全球變暖？
既然大型火山噴發(fā)后，往往會(huì)使得全球氣溫降低，那通過(guò)飛機(jī)將硫酸鹽顆粒注入平流層，“人造” 出火山噴發(fā)后的氣候效應(yīng)，是否可以緩解日益嚴(yán)峻的全球變暖？基于此思想，太陽(yáng)輻射干預(yù)（Solar Radiation Management，SRM）的種種技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這些技術(shù)試圖通過(guò)將更多的太陽(yáng)輻射反射回宇宙空間，以限制甚至扭轉(zhuǎn)人類造成的全球變暖。
對(duì)于太陽(yáng)輻射干預(yù)的設(shè)想，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）在近期發(fā)布的第六次評(píng)估報(bào)告中做出評(píng)論，它確實(shí)可以抵消溫室氣體增加對(duì)全球以及區(qū)域氣候的部分影響（高信度）。然而，在區(qū)域或者季節(jié)性尺度上，可能會(huì)出現(xiàn)大量的過(guò)度補(bǔ)償（如原本增暖的地區(qū)會(huì)因?yàn)槿肷涮?yáng)輻射的極具減弱而過(guò)度變冷）或殘余（因?yàn)槿肷涮?yáng)輻射減弱得不夠，該地區(qū)依然會(huì)增暖）的氣候變化，在降溫潛力上，依然存在巨大的不確定性 [20]。此外，平流層的技術(shù)設(shè)想不能阻止生活在對(duì)流層的人類繼續(xù)排放二氧化碳，也就無(wú)法減緩次生的海洋酸化、海平面升高等現(xiàn)象（高信度）。
另一個(gè)可見的道德困境是——如果人類有一天真的實(shí)施了太陽(yáng)輻射干預(yù)，那么，誰(shuí)來(lái)做那個(gè)控制太陽(yáng)輻射的 “執(zhí)劍人”？正如全球核戰(zhàn)爭(zhēng)一旦爆發(fā)，核武器爆炸產(chǎn)生的黑煙（黑碳）會(huì)注入平流層，使得人類生存的地表嚴(yán)寒如冬。如果太陽(yáng)輻射干預(yù)被肆意使用，最惡劣的后果可能就是以另一種方式給全球帶來(lái)一個(gè) “核冬天”。
以往火山噴發(fā)的真實(shí)案例告訴我們，火山噴發(fā)后“遮陽(yáng)傘”效應(yīng)只能持續(xù)若干年，全球氣溫會(huì)在之后逐步恢復(fù)。因此，太陽(yáng)輻射干預(yù)需要向平流層內(nèi)持續(xù)不斷地注入氣溶膠；一旦在未來(lái)高二氧化碳排放情景下突然終止注入，氣候變化將會(huì)快速發(fā)生、不可逆轉(zhuǎn)。
總之，缺少減排與二氧化碳移除（Carbon Dioxide Removal，CDR）的太陽(yáng)輻射干預(yù)，無(wú)法帶領(lǐng)人類走出目前面臨的氣候困局。
科學(xué)預(yù)警體系的構(gòu)建
在本次湯加火山噴發(fā)后，泛太平洋沿岸各國(guó)都在第一時(shí)間發(fā)布了海嘯預(yù)警。
如湯加的鄰國(guó)澳大利亞，及時(shí)發(fā)布了覆蓋澳大利亞?wèn)|部沿海大部地區(qū)的海嘯預(yù)警。如此迅速的反應(yīng)，主要依托于澳大利亞氣象局設(shè)立的海嘯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用海嘯浮標(biāo)（Tsunami Buoys）來(lái)監(jiān)測(cè)海底地震、火山爆發(fā)或者滑坡產(chǎn)生的海嘯波。
每個(gè)海表浮標(biāo)都被固定在錨鏈上，連接到海平面以下數(shù)千米的觀測(cè)平臺(tái)，平臺(tái)可以通過(guò)壓力傳感器監(jiān)測(cè)海水深度，并通過(guò)聲學(xué)系統(tǒng)向浮標(biāo)報(bào)告。浮標(biāo)收到報(bào)告后，通過(guò)人造衛(wèi)星將信號(hào)傳輸?shù)疥懙?。這些浮標(biāo)能夠在深海中實(shí)時(shí)觀測(cè)并記錄海平面的變化，極大地增強(qiáng)了澳大利亞在海嘯到達(dá)國(guó)境前對(duì)其進(jìn)行早期監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)報(bào)告的能力。
我們的鄰國(guó)日本，是世界上發(fā)生地震/火山海嘯次數(shù)最多且受害最深的國(guó)家，也因此建立了世界上最為完備的災(zāi)難預(yù)警系統(tǒng)之一。如在2011年?yáng)|日本大地震后，日本在太平洋沿岸建立了兩套密集的海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)：DONET和S-net。這兩套海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)觀測(cè)并記錄海嘯高度，通過(guò)資料同化（data assimilation）實(shí)現(xiàn)海嘯預(yù)警。
當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，日本氣象廳會(huì)根據(jù)地震觀測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)次生海嘯產(chǎn)生的可能性。如果沿海地區(qū)預(yù)計(jì)出現(xiàn)災(zāi)難性海嘯，日本氣象廳就會(huì)根據(jù)估計(jì)的海嘯高度，為每個(gè)預(yù)計(jì)受影響的地區(qū)發(fā)布海嘯預(yù)警 [24]。此外，針對(duì)日本國(guó)土上可能出現(xiàn)的火山爆發(fā)，日本氣象廳也會(huì)根據(jù)情況的嚴(yán)重程度，發(fā)布四種類型的預(yù)警。當(dāng)人的生命已經(jīng)或可能因火山爆發(fā)活動(dòng)而喪失，會(huì)發(fā)布最高級(jí)別的“火山警報(bào)（volcanic alert）”。
我國(guó)也在構(gòu)建自己的海嘯預(yù)警系統(tǒng)。國(guó)家海洋局海嘯預(yù)警中心是負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)海嘯，并且發(fā)布海嘯預(yù)警的國(guó)家級(jí)預(yù)報(bào)中心。在數(shù)值計(jì)算方面，預(yù)警中心建立了新一代太平洋和南中國(guó)海海嘯數(shù)值的預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)太平洋、西北太平洋及南海的海嘯數(shù)值預(yù)報(bào)可分別在5分鐘、1分鐘和30秒內(nèi)完成。在觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)方面，預(yù)警中心近期針對(duì)馬尼拉海溝（Manila Trench）地震引發(fā)海嘯的可能性進(jìn)行了深入研究，并分析了海嘯預(yù)警浮標(biāo)的可行性。
結(jié)語(yǔ)
科幻作家劉慈欣在小說(shuō)《流浪地球》中寫過(guò)：“最初，沒有人在意這場(chǎng)災(zāi)難，這不過(guò)是一場(chǎng)火山，一次海嘯，一個(gè)物種的滅絕，一座城市的消失。直到這場(chǎng)災(zāi)難和每個(gè)人都息息相關(guān)?！?/span>
雖然本次湯加火山的噴發(fā)預(yù)計(jì)不會(huì)造成太大的影響，但全球接二連三發(fā)生的極端天氣值得我們深思。我們?nèi)祟愐彩堑厍蛳到y(tǒng)的一部分，需要學(xué)會(huì)敬畏自然。
作者簡(jiǎn)介 制版編輯 | 盧卡斯
