火山：外貌決定個(gè)性，但與顏值無關(guān)
他有兩個(gè)活火山，早上熱早點(diǎn)很方便。他還有一座死火山，他也把它打掃干凈。他想，說不定它還會活動呢！打掃干凈了，它們就可以慢慢地有規(guī)律地燃燒，而不會突然爆發(fā)。火山爆發(fā)就象煙囪里的火焰一樣。當(dāng)然，在我們地球上我們?nèi)颂?，不能打掃火山，所以火山給我們帶來很多很多麻煩。
——《小王子》
在地球上，我們擁有的火山遠(yuǎn)不止三座。雖然我們不能打掃火山，但火山學(xué)家可以通過火山形狀上的差異來辨別火山的“個(gè)性”！這能幫助我們了解火山的語言，預(yù)測火山噴發(fā)的影響，學(xué)會如何與它們和諧共處。
火山噴發(fā)證明我們的星球生機(jī)勃勃并且在不斷進(jìn)化。從火山的照片中，我們可以看到它們外貌各異，但是會擁有一些共同的特征。就像人類擁有不同的身高和發(fā)色一樣，有些火山是圓錐形的，還有一些比較平坦，更加難以發(fā)現(xiàn)。這些外貌上的差異很重要，科學(xué)家們能通過這些差異辨別出火山怎樣噴發(fā)——也就是它們的“個(gè)性”！在這篇文章里，我們會解釋如何定義火山的不同個(gè)性，以及這將如何幫助科學(xué)家和全球的人們預(yù)測火山噴發(fā)的影響。
火山的形狀
研究火山的科學(xué)家被稱為火山學(xué)家。像我們這樣的火山學(xué)家環(huán)游世界，研究盡可能多的火山。我們研究的火山越多，對于火山活動機(jī)理的認(rèn)識就越深刻。有時(shí)候我們來到像意大利那不勒斯這樣的城市，在火車上向窗外望去，就能看到一座美麗的火山“主宰”著城市（維蘇威火山，圖1）。當(dāng)我們探索維蘇威火山附近的區(qū)域時(shí)，我們會發(fā)現(xiàn)一些巖石，可以從中得到很多關(guān)于火山歷史的信息。為了獲得這些信息，我們測定巖石樣本中的礦物質(zhì)信息，并分析其中的化學(xué)成分。這讓我們能像讀書一樣去閱讀巖石！這就是火山學(xué)家的工作。
圖1. 那不勒斯（意大利）地區(qū)的衛(wèi)星圖像。圖中標(biāo)記的是維蘇威火山和坎皮佛萊格瑞破火山口。右上角的意大利地圖中，紅色代表的是衛(wèi)星圖像顯示的區(qū)域。圖源：NASA（ASTER影像）
不過有趣的是，當(dāng)我們環(huán)游那不勒斯時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)了其他火山石。那些巖石擁有不同的化學(xué)成分，看起來也與維蘇威周圍的巖石不同。它們來自維蘇威附近的另一座火山——坎皮佛萊格瑞火山（圖1）。這座火山很難從地面上直接看到，但是因?yàn)樗w積很大，可以從太空中辨認(rèn)出來（圖1）。
像維蘇威火山那樣的尖頂火山（pointy volcano）被稱為成層火山，而像坎皮佛萊格瑞火山那樣的更扁平的火山被稱為破火山口火山（caldera）。成層火山就像我們常常在畫中看到的那樣，非常容易被發(fā)現(xiàn)。它們看起來像山脈，中心有坑，即火山口，一直連通到地下。破火山口火山的形狀更像一個(gè)大湯碗（圖2）。最初的時(shí)候，一些火山學(xué)家稱它們?yōu)椤暗够鹕剑╥nverted volcano）”[1]。
圖2. 成層火山（左）和破火山口火山系統(tǒng)（右）圖示。成層火山（1）的巖漿室比破火山口火山小得多（2）（圖源：kids.frontiersin.org）
這些不同的形狀是如何形成的呢？當(dāng)火山不噴發(fā)時(shí)，那些最終將被噴出的巖石儲存在位于火山下方5至15公里的巖漿室中（圖2）。那里的巖石溫度極高（約800–1000°C，烘烤披薩一般只需要300°C），以至于呈熔化的狀態(tài)，被稱為巖漿。當(dāng)成層火山噴發(fā)時(shí)，只有一小部分巖漿從室中噴發(fā)，冷卻后形成圓錐體。但破火山口火山不同，當(dāng)它們噴發(fā)時(shí)，大量巖漿噴涌而出，導(dǎo)致表面沉降，形成“碗”狀，這就是破火山口。科學(xué)家面對的一個(gè)重要問題是：“為什么火山的行為如此不同？”
大小決定個(gè)性
火山下方巖漿室中的巖漿是熔融的，使得它的密度比周圍的巖石低。這意味著巖漿受到浮力，它想要上浮到地表。浮力是當(dāng)你試圖把足球浸入水中時(shí)，所能感覺到的阻力。你可以感覺到浮力試圖使球上升到水面。阿基米德在2200年前首次描述了這種力，這是一個(gè)非常重要的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗忉屃藶槭裁创芷≡谒嫔?。但和一個(gè)總想升到水面的足球不同，巖漿被保存在火山下方，巖漿室周圍的巖石足夠堅(jiān)固，阻止了它的上升。那么巖漿是如何噴發(fā)的呢？
巖漿室周圍的巖石就像是試圖把足球摁在水下的你。如果足球很小，你肯定能成功，但是足球越大，你就越難做到。破火山口火山下面的巖漿室生長得如此巨大，因此最終噴發(fā)。其他火山學(xué)家也表明，在某些情況下，巖漿中包含的熱量會熔化巖漿室頂部的巖石，使得阻止巖漿上浮的力減弱，最終巖漿上升，火山噴發(fā)[2]。在其他情況下，地震會震動巖漿室，就像搖晃一瓶蘇打水，導(dǎo)致火山噴發(fā)[3]。對于大巖漿室，我們所了解的就是如此。那么為什么成層火山擁有的巖漿室更小，但也會噴發(fā)呢？
在較小的腔室中，火山噴發(fā)的觸發(fā)機(jī)制完全不同。對于這些火山，從地球深處（60至100公里深）新注入的熾熱巖漿會增加巖漿室中的壓力，這足以破壞周圍的巖石[4]。
在地球上，火山的大噴發(fā)比小噴發(fā)少見得多[5]。這意味著大多數(shù)巖漿室不能長大到足以形成破火山口火山，巖漿往往在較小的火山噴發(fā)中流失。通過研究從火山中噴發(fā)出來的巖石，我們發(fā)現(xiàn)破火山口火山噴發(fā)的規(guī)模比成層火山更大[6]。例如，與維蘇威火山有關(guān)的巖石可以在意大利的威尼斯（540公里以外）找到，但與坎皮佛萊格瑞火山有關(guān)的巖石竟可以在4000公里以外的俄羅斯找到！科學(xué)家通過了解破火山口火山和成層火山的不同噴發(fā)規(guī)模的成因，以及火山噴發(fā)規(guī)模大小與巖漿室大小之間的關(guān)系，來協(xié)助預(yù)測火山噴發(fā)產(chǎn)生的影響。
哪種個(gè)性更危險(xiǎn)
火山學(xué)家研究火山的個(gè)性，是因?yàn)檫@些信息可以確定火山噴發(fā)會產(chǎn)生多大的影響——別忘了坎皮佛萊格瑞火山的巖石能在4000公里以外被找到！現(xiàn)在，我們將告訴你與火山噴發(fā)有關(guān)的各種危險(xiǎn)。
當(dāng)火山噴發(fā)時(shí)，噴出的巖漿冷卻下來，變成火山灰，還有二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）這樣的氣體?；鹕交覀鞑サ梅浅Ｑ杆?，它被噴射到大氣中時(shí)，能夠到達(dá)飛機(jī)飛行的高度，并且由于吸入的灰燼有損飛機(jī)引擎，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致飛行事故。
來自大型火山噴發(fā)的火山灰和氣體，在大氣中“環(huán)游”地球，改變氣候。火山氣體在大氣中形成氣溶膠（一種微粒混合物），將太陽輻射反射回太空，導(dǎo)致全球變冷。事實(shí)上，1815年印度尼西亞的一次火山噴發(fā)（坦博拉，圖3）造成歐洲和北美經(jīng)歷了沒有夏季的1816年。
圖3. 圖示為文中各座火山的位置（圖源：kids.frontiersin.org）
火山附近的火山灰會通過覆蓋植物、污染水源來毀滅生命。典型的例子如2010年冰島的埃亞菲亞德拉火山噴發(fā)，2011年智利普耶韋-考登·加里火山噴發(fā)（圖3）?；鹕交铱梢栽诰薮蟮脑茖印鹕剿樾剂鳌许樒露?，蔓延數(shù)十公里。火山碎屑流是火山氣體、火山灰和火山塊（直徑大于64毫米的火山巖）的混合物，高溫高速（速度可以達(dá)到400公里/小時(shí)?。?，摧毀所到之處的一切。公元79年，維蘇威火山在噴發(fā)期間形成的火山碎屑流，徹底摧毀了龐貝古城和赫庫蘭尼姆古城。
當(dāng)火山灰混合著水，沿著火山的側(cè)面流下來時(shí)，便形成了火山泥流（lahar）?；鹕侥嗔鞯臏囟缺然鹕剿樾剂鞯?，但也可以非?？焖俚亍靶羞M(jìn)”，對火山周圍的環(huán)境同樣充滿威脅。 1985年哥倫比亞魯伊斯火山（圖3）噴發(fā)形成的火山泥流，造成26000多人死亡。
除了爆炸式火山噴發(fā)，還有一種噴溢式火山噴發(fā)。在這種情況下，巖漿從火山涌出，形成熔巖流。熔巖流溫度很高，但“行進(jìn)”速度比火山碎屑流緩慢得多，它同樣可以將沿途的一切化為灰燼。夏威夷的冒納羅亞火山、基拉韋厄火山，以及剛果民主共和國的尼拉貢戈火山（圖3）在噴發(fā)期間都形成了熔巖流。
科學(xué)家們可以使用計(jì)算機(jī)模型預(yù)測這些火山災(zāi)害將會影響哪些區(qū)域，形成所謂的“災(zāi)害地圖”。和普通地圖類似，災(zāi)害地圖上的顏色用于區(qū)分不同的區(qū)域。一般的地圖上，我們可能會用綠色代表平原，棕色和白色代表山區(qū)。而在災(zāi)害地圖上，顏色表明火山噴發(fā)時(shí)各個(gè)區(qū)域?qū)馐艿牟煌愋偷臑?zāi)害。像坎皮佛萊格瑞火山這樣的破火山口火山，產(chǎn)生的火山噴發(fā)更大，需要更大的災(zāi)害地圖，所以你會認(rèn)為這些火山更加危險(xiǎn)。然而，由于形成非常大的巖漿室極其困難，這樣的噴發(fā)非常罕見。而維蘇威火山那樣較小的火山，雖然噴發(fā)造成的災(zāi)害地圖更小，但可能更頻繁地發(fā)生。相比坎皮佛萊格瑞火山，維蘇威火山的噴發(fā)更加頻繁，也更加危險(xiǎn)！
尊重它們的個(gè)性
如今，全球有超過5億人生活在火山附近?；鹕娇雌饋砗芸膳拢聦?shí)上，它們噴發(fā)出來的巖石富含礦物質(zhì)和微量元素，使得周圍的土壤肥沃。火山也是可再生能源的重要來源。巖漿中含有的熱量可以用來發(fā)電，火山中含有的元素可以用來制造太陽能電池板。這意味著火山對地球上的生命很重要。
但它們也非常危險(xiǎn)。比如我們不能在距離火山太近的地方建造房屋和重要建筑物（如學(xué)校和醫(yī)院），因?yàn)樗鼈兛赡軙换鹕絿姲l(fā)所毀壞。為了生活在火山附近，我們需要了解它們的語言和從中傳遞給我們的信息?；鹕綄W(xué)家研究火山噴發(fā)形成的巖石，了解噴發(fā)前的情況，這有助于預(yù)測未來的火山噴發(fā)及其影響。還有許多火山幾千年都不會噴發(fā)一次，所以我們必須了解火山噴發(fā)的原因，以及不同火山的行為有何不同。
火山展示了大自然的魅力和力量，人類能夠見證這番景象是非常幸運(yùn)的。然而，它們也提醒我們，需要學(xué)會如何尊重大自然，才能充分享受她所帶來的財(cái)富。自然可以輕松地生活在沒有人類的地方，但我們離不開她！
參考資料
[1] Walker, G. P. L. 1984. Downsag calderas, ring faults, caldera sizes, and incremental caldera growth. J. Geophys. Res. 89, 8407–16. doi:10.1029/JB089iB10p08407
[2] Gregg, P. M., de Silva, S. L., Grosfils, E. B., and Parmigiani, J. P. 2012. Catastrophic caldera-forming eruptions: thermomechanics and implications for eruption triggering and maximum caldera dimensions on Earth. J. Volcanol. Geother. Res. 241–242, 1–12. doi:10.1016/j.jvolgeores.2012.06.009
[3] Sumita, I., and Manga, M. 2008. Suspension rheology under oscillatory shear and its geophysical implications. Earth Planet. Sci. Lett. 269, 468–77. doi:10.1016/j.epsl.2008.02.043
[4] Caricchi, L., Annen, C., Blundy, J., Simpson, G., and Pinel, V. 2014. Frequency and magnitude of volcanic eruptions controlled by magma injection and buoyancy. Nat. Geosci. 7, 126–30. doi:10.1038/ngeo2041
[5] Newhall, C. G., and Self, S. 1982. The volcanic explosivity index (VEI) an estimate of explosive magnitude for historical volcanism. J Geophys Res Oceans Atmos 87, 1231–8. doi:10.1029/JC087iC02p01231
[6] Sheldrake, T., and Caricchi, L. 2016. Regional variability in the frequency and magnitude of large explosive volcanic eruptions. Geology 45, 111–4. doi:10.1130/G38372.1
作者 | Luca Caricchi（日內(nèi)瓦大學(xué)地球科學(xué)系火山學(xué)家）, Tom E. Sheldrake（日內(nèi)瓦大學(xué)地球科學(xué)系研究員）, Costanza Bonadonna（日內(nèi)瓦大學(xué)地球科學(xué)系火山學(xué)家）
青少年評審 | Amalia, Giulia, Lachlan
翻譯 | 劉水
編輯 | 金莊維
文章頭圖及封面圖片來源：pixabay.com
文章來源：https://kids.frontiersin.org/article/10.3389/frym.2018.00010, 《賽先生》獲授權(quán)翻譯
賽先生
啟蒙·探索·創(chuàng)造
如果你擁有一顆好奇心
如果你渴求知識
如果你相信世界是可以理解的
歡迎關(guān)注我們
投稿、授權(quán)等請聯(lián)系
saixiansheng@zhishifenzi.com
