湯加火山噴發(fā) 會放緩全球變暖步伐嗎？
湯加火山噴發(fā) 會放緩全球變暖步伐嗎？
???
收錄于話題#氣候能源大觀4個
? ? 1.18知識分子The Intellectual
高熱的巖漿與冰冷的海水直接接觸，產(chǎn)生劇烈的爆炸，該爆炸會將巖漿進一步撕裂 | 圖源：pixabay.com
??導(dǎo)? 讀
?●
○當?shù)貢r間2022年1月15日17時27分，位于南太平洋島國湯加附近的一座海底火山（洪阿哈阿帕伊島火山，Hunga Tonga-Hunga Ha'apai）劇烈噴發(fā)。此次火山噴發(fā)影響到了整個泛太平洋沿岸地區(qū)，多國發(fā)布海嘯預(yù)警。
撰文?|?唐顥蘇??魏科??徐露露??王宇晨
責編?|?馮灝
?●? ? ? ? ? ?? ? ? ? ●? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ●??
1
海底火山威力有多大？
火山噴發(fā)是地殼運動的一種表現(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世紀迄今為止最強的火山噴發(fā)?[1]。來自太空中的衛(wèi)星影像實時捕捉到了這一過程，巨大的火山灰和蒸汽被噴入大氣層達20 km（熱帶對流層頂約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?[2]。湯加周邊的斐濟、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、智利等國家，紛紛發(fā)布了海嘯預(yù)警。
?
圖1?南太平洋湯加的海底火山爆炸性噴發(fā)?|?圖源：美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）
?
圖2?湯加火山噴發(fā)的RGB圖像，使用衛(wèi)星紅外通道來檢測火山灰和二氧化硫氣體?|?圖源：美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）
?
湯加火山為何會突然噴發(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，巖漿與海水之間會形成一層薄薄的蒸汽層，該絕緣層的存在會使得巖漿的外表面得以冷卻。但是，當巖漿從海底火山劇烈噴出時，該過程就不起作用了。高熱的巖漿與冰冷的海水將直接接觸，產(chǎn)生劇烈的爆炸，該爆炸會將巖漿進一步撕裂，將其內(nèi)表面進一步暴露給冷海水，并產(chǎn)生連鎖爆炸，最終噴射入天空，形成了巨大的云團，該過程被稱為 “燃料-冷卻劑相互作用（fuel-coolant interaction）”?[3]。
?
那遠在南半球萬里之外的局地火山噴發(fā)，為何會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，導(dǎo)致了局地的海嘯，又由于海嘯的波長非常長（可達百公里量級，屬于重力長波的一部分），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，當海嘯傳播至海岸附近時，海水深度變淺，傳播速度降低，后浪趕上前浪，便會使得波浪高度倍增，形成數(shù)十米高的拍岸巨浪。
?
圖3?火山爆發(fā)引起海嘯的幾個原因：a) 水下噴發(fā)；b) 火山爆炸；c) 火山碎屑流；d) 火山口塌陷；e) 近地面破壞；f) 海底破壞?|?圖源：文獻[4]?
2
全球氣候會受到影響嗎？
有人認為，火山噴發(fā)，就會使得全球溫度降低，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，空氣以水平運動為主，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，它們將增強行星反照率，使得更多的太陽入射短波輻射被反射回太空，進一步引起全球平均地表溫度下降，這也被稱為“遮陽傘”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吸收地表長波輻射和部分太陽短波輻射使得平流層增暖，從而調(diào)節(jié)大氣溫度梯度，進一步影響大氣環(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持續(xù)2年左右?[5]。
?
圖4?大型火山噴發(fā)的氣候影響示意圖?|?圖源：文獻[6]，圖中文字為唐顥蘇翻譯
?
圖5?在上圖中，黑色曲線代表1979年至2018年全球平流層氣溶膠光學(xué)厚度，它是最常用的衡量氣溶膠濃度的物理量；紅點代表火山噴發(fā)產(chǎn)生的二氧化硫的年排放量。在下圖中，圓圈表示1978年10月以來火山噴發(fā)衛(wèi)星測量的二氧化硫排放量和估計的噴發(fā)高度?|?圖源：文獻[7]
?
總體來說，火山噴發(fā)后的全球降溫程度和火山噴發(fā)強度成正比。近代最強的一次火山噴發(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“無夏之年”，以及隨后的歐洲大饑荒。
早期由于缺乏直接的觀測手段，火山噴發(fā)物含量主要通過巖石演化?[8]?或者冰芯酸度測量推算?[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儀器觀測數(shù)據(jù)來看?[11]，1982 年埃爾奇瓊（El Chichón）火山噴發(fā)向大氣輸送了近700萬噸二氧化硫，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2000萬噸的二氧化硫，直接促使全球氣溫下降了0.3-0.5℃?[14]。
?
其實，人們不僅可以感受到萬里之外火山噴發(fā)帶來的氣候影響，甚至可以親眼見到。英國著名浪漫主義風景畫家威廉·透納（William Turner），就曾用他的畫筆記錄下火山噴發(fā)前后天空的景象。這種差異就在于大型火山噴發(fā)后，平流層中的氣溶膠散布全球，它們會散射入射太陽光，從而使天空呈現(xiàn)橙紅色，這是任憑對流層中下再大的雨也沖洗不掉的?[13]。??
圖6?左側(cè)為透納畫作《The Harbor of Dieppe》（1826），展現(xiàn)的是歐洲正常的日落美景；右側(cè)為透納畫作《The Lake, Petworth: Sunset, Fighting Bucks》（1829），展示的是火山氣溶膠影響下的猩紅天空?|?圖源：威廉·透納（J.M.W. Turner）
?
那么，本次湯加火山的噴發(fā)，是否會將全球拖入 “無夏之年”，引起全球變冷呢？答案是基本上不會。
?
雖然本次火山噴發(fā)強度較強，但是要想影響全球的氣候格局，進入平流層的二氧化硫至少得達到數(shù)百萬噸的量級。目前的衛(wèi)星監(jiān)測數(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，至少從目前來看，湯加火山的噴發(fā)還遠沒有達到這個量級（VEI約為5），如果后期沒有更強的噴發(fā)，那它的影響將會較為局地。火山噴發(fā)指數(shù)是衡量火山噴發(fā)規(guī)模和強度最常用的指標，它的數(shù)值范圍在0-8之間，是一個對數(shù)指標，該指數(shù)每增加一個單位，噴發(fā)威力都是上一個級別的10倍。
圖7?火山噴發(fā)指數(shù)?|?圖源：文獻[16]
?
另外尚存爭議但值得討論的一點是，本次火山噴發(fā)是否會對赤道中東太平洋的厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）事件產(chǎn)生影響？
上世紀末，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)似乎可以通過減弱熱帶東風信風，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)性依然飽受爭議?[19]。一來，氣候模式古氣候?qū)嶒災(zāi)M的不確定性很大；二來，觸發(fā)厄爾尼諾事件的因子紛繁復(fù)雜，且各種因子會互相調(diào)制。因此，2022年底赤道中東太平洋是否會進入厄爾尼諾狀態(tài)，還有待未來進一步觀察。
?
3
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，往往會使得全球氣溫降低，那通過飛機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峻的全球變暖？基于此思想，太陽輻射干預(yù)（Solar Radiation Management，SRM）的種種技術(shù)應(yīng)運而生。這些技術(shù)試圖通過將更多的太陽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。
?
對于太陽輻射干預(yù)的設(shè)想，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在近期發(fā)布的第六次評估報告中做出評論，它確實可以抵消溫室氣體增加對全球以及區(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，可能會出現(xiàn)大量的過度補償（如原本增暖的地區(qū)會因為入射太陽輻射的極具減弱而過度變冷）或殘余（因為入射太陽輻射減弱得不夠，該地區(qū)依然會增暖）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流層的人類繼續(xù)排放二氧化碳，也就無法減緩次生的海洋酸化、海平面升高等現(xiàn)象（高信度）。
?
另一個可見的道德困境是——如果人類有一天真的實施了太陽輻射干預(yù)，那么，誰來做那個控制太陽輻射的 “執(zhí)劍人”？正如全球核戰(zhàn)爭一旦爆發(fā)，核武器爆炸產(chǎn)生的黑煙（黑碳）會注入平流層，使得人類生存的地表嚴寒如冬。如果太陽輻射干預(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一個 “核冬天”。
?
以往火山噴發(fā)的真實案例告訴我們，火山噴發(fā)后“遮陽傘”效應(yīng)只能持續(xù)若干年，全球氣溫會在之后逐步恢復(fù)。因此，太陽輻射干預(yù)需要向平流層內(nèi)持續(xù)不斷地注入氣溶膠；一旦在未來高二氧化碳排放情景下突然終止注入，氣候變化將會快速發(fā)生、不可逆轉(zhuǎn)。
總之，缺少減排與二氧化碳移除（Carbon Dioxide Removal，CDR）的太陽輻射干預(yù)，無法帶領(lǐng)人類走出目前面臨的氣候困局。
?
圖8?太陽輻射干預(yù)實施后可能造成的后果?|?圖源：文獻[21]，圖中文字為唐顥蘇翻譯
?
圖9?觀測到的全球年平均地表溫度（黑線）和陸表溫度（紅線）異常，藍色實線分別表示20世紀初增暖期（1908-1945）、20世紀中期變冷期（1940-1976）、20世紀末快速增暖期（1975-1998）和21世紀初增暖停滯期（2001-2012），紫色豎線表示大型火山噴發(fā)，火山噴發(fā)并不能改變長期以來的全球變暖趨勢?|?圖源：文獻[22]
4
?科學(xué)預(yù)警體系的構(gòu)建
在本次湯加火山噴發(fā)后，泛太平洋沿岸各國都在第一時間發(fā)布了海嘯預(yù)警。
如湯加的鄰國澳大利亞，及時發(fā)布了覆蓋澳大利亞東部沿海大部地區(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)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用海嘯浮標（Tsunami Buoys）來監(jiān)測海底地震、火山爆發(fā)或者滑坡產(chǎn)生的海嘯波。
每個海表浮標都被固定在錨鏈上，連接到海平面以下數(shù)千米的觀測平臺，平臺可以通過壓力傳感器監(jiān)測海水深度，并通過聲學(xué)系統(tǒng)向浮標報告。浮標收到報告后，通過人造衛(wèi)星將信號傳輸?shù)疥懙?。這些浮標能夠在深海中實時觀測并記錄海平面的變化，極大地增強了澳大利亞在海嘯到達國境前對其進行早期監(jiān)測和實時報告的能力。
?
圖10?澳大利亞海嘯監(jiān)測系統(tǒng)?|?圖源：文獻[23]
?
我們的鄰國日本，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年東日本大地震后，日本在太平洋沿岸建立了兩套密集的海底觀測網(wǎng)絡(luò)：DONET和S-net。這兩套海底觀測網(wǎng)絡(luò)可以實時觀測并記錄海嘯高度，通過資料同化（data assimilation）實現(xiàn)海嘯預(yù)警。
當?shù)卣鸢l(fā)生時，日本氣象廳會根據(jù)地震觀測數(shù)據(jù)估計次生海嘯產(chǎn)生的可能性。如果沿海地區(qū)預(yù)計出現(xiàn)災(zāi)難性海嘯，日本氣象廳就會根據(jù)估計的海嘯高度，為每個預(yù)計受影響的地區(qū)發(fā)布海嘯預(yù)警?[24]。此外，針對日本國土上可能出現(xiàn)的火山爆發(fā)，日本氣象廳也會根據(jù)情況的嚴重程度，發(fā)布四種類型的預(yù)警。當人的生命已經(jīng)或可能因火山爆發(fā)活動而喪失，會發(fā)布最高級別的“火山警報（volcanic alert）”。
?
圖11?日本DONET海底觀測網(wǎng)監(jiān)測到的海嘯訊號，橫坐標為時間（日本當?shù)貢r間1月15日），縱坐標為海嘯高度。資料來源：日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所?|?圖源：王宇晨
?
圖12?日本最為著名的浮世繪版畫——《神奈川沖浪里》，該畫以富士山（Mount Fuji，世界上最大的活火山之一）為背景，描繪了“神奈川沖”的巨浪掀卷著漁船，船工們?yōu)榱松娑範幍膱D像?|?圖源：葛飾北齋
?
我國也在構(gòu)建自己的海嘯預(yù)警系統(tǒng)。國家海洋局海嘯預(yù)警中心是負責監(jiān)測和預(yù)報海嘯，并且發(fā)布海嘯預(yù)警的國家級預(yù)報中心。在數(shù)值計算方面，預(yù)警中心建立了新一代太平洋和南中國海海嘯數(shù)值的預(yù)報系統(tǒng)，對太平洋、西北太平洋及南海的海嘯數(shù)值預(yù)報可分別在5分鐘、1分鐘和30秒內(nèi)完成。在觀測網(wǎng)絡(luò)方面，預(yù)警中心近期針對馬尼拉海溝（Manila Trench）地震引發(fā)海嘯的可能性進行了深入研究，并分析了海嘯預(yù)警浮標的可行性。
4
?結(jié)語
科幻作家劉慈欣在小說《流浪地球》中寫過：“最初，沒有人在意這場災(zāi)難，這不過是一場火山，一次海嘯，一個物種的滅絕，一座城市的消失。直到這場災(zāi)難和每個人都息息相關(guān)?！?/p>
雖然本次湯加火山的噴發(fā)預(yù)計不會造成太大的影響，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)會敬畏自然。
?
“
?作者簡介?
唐顥蘇，中國科學(xué)院大氣物理研究所博士生；魏科，中國科學(xué)院大氣物理研究所副研究員；徐露露，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系博士生；王宇晨，日本海洋研究開發(fā)機構(gòu)（JAMSTEC）研究員。
