汤加火山喷发后的产生的“神秘波纹”，究竟怎么回事？

本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），作者：David Adam，原文标题：《汤加火山喷发后的神秘现象》，头图来自：视觉中国

上周末，汤加的洪阿汤加-洪阿哈阿帕伊（Hunga Tonga-Hunga Haʻapai）火山剧烈喷发，导致地球大气出现了一圈圈巨型波纹，这些神秘波纹让科学家急于探个究竟。卫星数据显示，此次火山喷发（有人担心会摧毁汤加这个太平洋岛国）引发了一种波型异常的大气重力波（atmospheric gravity wave）。专家们百思不得其解，因为以往的火山喷发从未出现过这种现象。

德国利希超算中心的大气科学家Lars Hoffmann说：“这可太奇特了，我们在之前的数据中从来没见过。”

美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的GOES-West卫星拍摄的洪阿汤加-洪阿哈阿帕伊火山爆破式喷发场景。来源：NOAA

1月14日，就在这座火山喷发的数小时后，科学家在美国航空航天局（NASA）Aqua卫星搭载的大气红外探测仪（AIRS）采集的图像中发现了这些重力波。

图像中可见许多同心圆，每个圆都代表大气中一道迅速传播的重力波，其延伸距离可达逾1.6万公里。这些重力波从海洋表面直达电离层，研究人员推测它们可能已经在全球范围传播了好几次。

“漂亮的同心波型”

Hoffmann说：“Aqua卫星上的大气红外探测仪已经服役了近20年，但我们从未见过如此漂亮的同心波型。”

当大气中的空气分子在气柱中垂向波动而非水平波动时，就会形成大气重力波。疾风经过山顶提速，或是局地天气系统产生对流时，都会出现上述情况。

垂直运动的大气重力波能通过大气层传递能量和动量，它们“刷存在感”的方式是让高层云形成一条条波纹。

NASA的Aqua卫星搭载的大气红外探测仪成像中可见许多同心圆，这些同心圆都是高速移动的大气波。来源：Lars Hoffmann, Jülich Supercomputing Centre. AIRS Level-1 data by NASA GES DISC

理论上，火山喷出的灼热气流和火山灰若急速冲入高层大气，就有可能激发更大规模的重力波。但从2002年5月Aqua卫星带着大气红外探测仪升空以来，研究人员从未在火山喷发事件中观察到这种现象。

“我们都懵了，”英国巴斯大学的大气物理学家Corwin Wright说，“这肯定源于正在发生的某种物理现象，但我们还无法解释。”

Wright和同事猜测，引起重力波的可能是高层大气中一团巨大、混乱的灼热气流。他说，这团灼热气流“直直冲向了平流层，大力搅动着周围的空气”。

响彻全球

汤加火山喷发的声响传遍了整个南太平洋，甚至美国的一些地区也能听到。汤加的许多区域已被火山灰覆盖，但火山喷发导致的停电、电话不通、断网等问题使救援机构难以评估人员伤亡和损失情况。

Wright最先在Hoffmann提供的数据中发现了这种波型。他说，这些图像看起来像是由不同大小和类型的波混合而成的。

大气中的对流似乎“异常复杂和剧烈，能够同时引发一系列现象”，Wright说，“这是我们目前的判断，但我们也只观察了几个小时而已。”

Wright的发现离不开英国牛津大学气候科学家Scott Osprey的启发。1月15日，Osprey给他发了一条推特，推文中写道：“我很好奇这次火山喷发引起的大气重力波究竟有多厉害？！”

爆破速度

Osprey表示，汤加火山喷发产生的这些波可能是个特例，因为汤加火山的喷发速度比其他火山快很多。他说：“这次喷发看起来持续了几分钟，但却是爆破式喷发，可能正是这股冲击力触发了强烈的重力波。”

汤加火山喷发的时间虽短，但影响却十分持久。Osprey表示，重力波会扰动热带地区周期性转变的风向，影响天气形势，连远在欧洲的天气都会受到波及。Osprey说：“我们将密切关注其进展。”

这次喷发收集的图像和数据“很壮观”，并为科学家提供了一次极好的研究机会，纽约哥伦比亚大学的海洋地球物理学家Vicki Ferrini说。与此同时，她和其他人也很担心汤加人民，那里到现在还没有受灾规模的详细信息。

新西兰的研究人员表示，他们正在密切监测汤加火山的后续喷发。“我们会持续关注。”奥克兰大学的火山学家Shane Cronin说，深层地下的大量岩浆可能会重新对汤加火山进行补给，引起更猛烈的喷发。但如果汤加火山的主要岩浆补给已经耗尽，那么后续可能只是小规模喷发，而且主要在海面以下。

原文以Tonga volcano eruption created puzzling ripples in Earth’s atmosphere为标题发表在2022年1月18日《自然》的新闻版块上

本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），作者：David Adam