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2020-01-17 19:00
从太空看火山喷发,奇观之外还有什么?

题图来自 Wired。     




2020年1月12日,从太空观测的菲律宾塔尔火山喷发,犹如云层中一次突然出现的“风暴”。


当地时间1月12日,位于菲律宾吕宋岛上的全球最矮活火山塔尔火山(Taal)喷发,火山灰高度达10至15公里。喷薄而出的火山灰,甚至被运行于3万多公里之外地球静止轨道的气象卫星所查觉。



塔尔火山口长25公里、宽15公里。由于地处热带,积水较多,塔尔火山口有火山口湖“塔尔湖”。而在塔尔湖中还有一座小火山“武耳卡诺”——意为“燃烧的山”。如今,这座“怒气冲天”的火山已使周边机场停航,并降下饱含火山灰烬的尘雨。



火山喷发往往源自地壳活动。在灼热的气体和岩浆喷射出地面之后,首先是相当于喷发柱高度十分之一的气冲区,然后是喷发柱与大气进行气体交换的对流区,顶部是喷发柱与大气压力基本达到平衡的扩散区。


扩散区一般占火山喷发柱高度的五分之二,喷发柱内的气体和密度小的物质沿着水平方向扩散,非常容易形成火山灰云,它们在空中长期飘流,对区域性气候带来巨大影响。


2019年6月22日,位于太平洋西北部千岛群岛上的Raikoke火山在沉寂近百年后喷发。美国国家航空航天局(NASA)的宇航员,在距离地表400公里外的国际空间站拍摄到这一景象,可以清晰看到喷发柱的颜色变化。当喷发柱和大气密度相等时,就停止上升形成平面,但烟尘仍随气流水平扩散。照片来自NASA网站。



从Terra卫星上的中分辨率成像光谱仪图像中,可以俯视Raikoke火山此次喷发的情况。



下图是气象卫星数据的动态效果,显示了Raikoke火山烟尘水平扩散的样貌。即使从太空眺望,700米宽火山口的物质喷发,依然显得猛烈强劲。



卫星观测,使人们得以观察火山喷发全貌,特别是各个方向的喷发量,从而为应急救援和防范灾变提供指导。而对火山云和烟雾的跟踪、预测,可为飞行器安全提供预警。


Metis Shoal是位于汤加的一座火山岛,形成于1995年的海底火山喷发。2019年10月中旬,一次新的海底火山喷发使该岛消失,但在附近形成新岛,面积约为Metis Shoal的3倍。





下图是位于千岛群岛的Sarychev火山,NASA宇航员拍摄到了它在2009年6月的喷发。科学家分析认为,喷发柱的白色部分,可能是由于喷发使空气快速升高并冷却,形成水蒸气凝结。


科学家认为,这张卫星图片最值得关注的是从火山顶向下流动的“火山碎屑流”——由火山灰、火山气体和碎石混合而成的流体,600摄氏度高温,时速130公里,能够摧毁上百平方公里范围内的一切地表生物。



下图也来自NASA,位于阿拉斯加半岛的Pavlof火山于2013年5月13日喷发,火山灰高达6000米。



2019年2月26日,Sentinel卫星观测到的日本Sakurajima火山喷发,它是日本九州岛活跃度最高的火山。 



位于危地马拉的Fuego火山2020年1月喷发,下图是Sentinel卫星拍摄的1月10日火山喷发后的景象,相邻的另一座火山仍处于平静中。



火山灰云甚至可被距离地球100万公里的深空探测器观察到。


美国DSCOVR探测器的主要任务是观察“太空天气”,比如太阳释放出的磁场强度。利用它所携带的地球多色成像照相机(EPIC),美国科学家观察了多处火山活动,特别是测量火山喷发释放二氧化硫气体时的紫外线数据——一般情况下,二氧化硫在大气中含量极低,是最易被测量的火山气体。


下面这个动画显示了2018年6月16日加拉帕戈斯群岛的费尔南迪纳岛上,火山喷发产生的二氧化硫情况,二氧化硫的浓度提升及扩散清晰可见。



合成孔径雷达(SAR)是另一种卫星观测技术,它发射信号到地面,主动探测地表变化,并可穿透云层和烟雾。


下图也来自Sentinel卫星,是印尼的Anak Krakatoa火山(三座岛屿中间)在2018年12月22日喷发后的合成孔径雷达图片。这次喷发引发的海啸导致400多人丧生。



合成孔径雷达图片放大后可以看到,这座火山在喷发后体积明显减小,相当于有2平方公里的土地坍塌到海平面之下。根据推算,这座火山体积减少了1.5亿立方米,高度也从330多米降低到约110米。



通过卫星技术观测并预测火山喷发,具有重要的现实意义。科学家认为,全球有大约1500座活火山处于偏远地区,很难利用地面人工手段监测。


法国科学家认为,热带地区大规模火山爆发可导致厄尔尼诺现象发生,从而可能对全球气候产生重大影响。特别是大型火山爆发后,数百万吨二氧化硫进入平流层,影响太阳辐射,最终导致全球温度变化。计算表明,大型火山爆发后厄尔尼诺现象将会达到峰值。


科学家一方面希望利用对地壳运动的观测预测火山爆发,另一方面也希望通过卫星监测了解大型火山爆发后对于区域乃至全球气候的影响,而其中一个关键数据就是有多少二氧化硫进入平流层,这可以在火山爆发后通过卫星数据计算,而通常这个数字可以达到千万吨规模。

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