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来自地球内部的能量迸发——汤加火山喷发分析

北京时间 2022 年 1 月 15 日中午 12 点 10 分前后，南太平洋岛国汤加（ Tonga ）的洪阿 · 哈阿帕伊岛（ Hunga Tonga -Ha’apai ，位于南纬 2 0.536 ° ，西经 175.382 ° ）附近发生了一次猛烈的火山喷发，初步判断喷发强度达到火山喷发指数 5 级以上，形成了直径约 4 50 千米的火山灰柱，火山灰蘑菇云以两倍音速扩展，影响了半个地球。

图1汤加洪阿·哈阿帕伊火山喷发形成了巨大的火山灰云（图片来自Doman et al 2022）。

此次汤加火山喷发规模多大？

汤加洪阿·哈阿帕伊岛火山喷发将约5立方千米的火山灰喷到大气中，大量火山灰喷射到超过30千米的高空，形成了一个直径约450千米的火山灰柱，进入平流层。在火山灰向西漂移的过程中，少量火山灰甚至到达39千米高空。汤加火山喷发冲击力很大，喷发的巨大响声在2000千米外的新西兰都可以听到。

美国NASA学者认为此次汤加火山喷发释放的能量超过1000万吨TNT。与此类似，澳大利亚国立大学著名学者Richard Arculus认为汤加火山喷发释放的能量超过1000颗广岛原子弹。奥地利学者认为，此次火山喷发释放的能量达到5000万吨TNT以上。

不过，核弹与火山显然有很大的差别。核弹爆炸的能量密度远高于火山灰和烟尘。而火山灰和气体可以形成更大的蘑菇云。两者的比较需要谨慎。

图2 汤加火山喷发形成的火山灰蘑菇云。（图片来自Doman et al 2022）

为什么汤加会发生如此大的火山喷发？

汤加位于西太平洋的汤加—克马德克俯冲带上，是环太平洋俯冲带的重要组成部分。

沿汤加—克马德克俯冲带是大约5200万年前，太平洋转向形成的。在大约700万年前，该俯冲带出现重大转折，板片后撤，形成汤加弧后盆地。

图3 西太平洋新生代俯冲起始于约5200万年前(52 Ma)。略晚于青藏高原的碰撞时代（Sun and Zhang, 2020 Science Bulletin）。

汤加俯冲带对应的太平洋洋壳比较年轻，水深也较伊豆-小笠原-马里亚纳外的太平洋浅很多。很多地方在碳酸盐补偿深度以上，特别是Louisville海山链，水深更浅，有大量的碳酸盐俯冲。碳酸盐可以降低地幔橄榄岩固相线，形成更多的岩浆，同时二氧化碳可以造成火山的剧烈喷发，有利于形成大的火山喷发。

图4 汤加洪阿·哈阿帕伊火山位于西太平洋汤加-克马德克俯冲带上。（上图来自Kutterolf 2012, 下图来自Doman et al 2022）

图5 汤加俯冲岛弧火山岩二氧化碳含量远高于日本岛弧。（Plank and Manning, 2019）

汤加火山喷发的发展趋势如何？

图6 汤加洪阿·哈阿帕伊火山喷发前后的卫星图像（图片来自Doman et al 2022）。

此次汤加火山喷发属于海底火山喷发，其喷发中心位于洪阿·哈阿帕伊岛（Hunga Ha’apai）和洪阿·汤加岛（Hunga Tonga）附近。此次喷发将上述两个小岛完全破坏。

该处的火山是目前全球最活跃的活火山之一。据新西兰火山学家Cronin等人的研究，该火山每一千年就有一次强烈的喷发。上一次剧烈喷发发生在公元1100年，距今920年。每一次剧烈喷发都会先后产生多次不同等级的喷发。

此次喷发前，该火山分别于2009年、2014年、2015年、2019年和2021年，发生多次喷发。现在不确定是否1月15日的喷发就是该火山这个喷发峰期的最大喷发。不过可以肯定的是，该火山进入活跃期，未来潜在的危害值得关注。

历史上的破坏性火山喷发

此次汤加火山喷发等级接近1991年菲律宾皮纳图博火山，但是喷发的二氧化硫只有40万吨。据海洋科学与技术试点国家实验室模拟计算，此次火山喷发对环境的影响甚微。

历史上，火山喷发曾经给人类社会带来严重的灾难。

坦博拉火山是人类有记录以来最大的火山喷发，喷发量达到100立方千米，属于7级火山喷发。

喀拉喀托火山喷发等级达到强6级，排放量达到20立方千米，引发海啸，导致3万多人死亡。

1991年皮纳图博火山喷发属于6级火山喷发，喷发量6立方千米，释放的二氧化硫约为2000万吨，曾导致全球降温约0.5度。皮纳图博火山喷发前，因为预报，转移了4万多人，但也造成1202人死亡。

维苏威火山喷发，形成了庞贝古城。该火山喷发造成重大伤亡的关键是当时人们认为该火山是死火山，在山麓建城。

参考文献：

1. Alternative NOAA, Comparison of how mushroom clouds of Tonga volcano compares to nuclear detonations. https://www.noaa.gov/

2. Newhall, C.G., Self, S., 1982. The Volcanic Explosivity Index (VEI): an estimate of explosive magnitude for historical volcanism. J. Geophys. Res. 87 (C2), 1231–1238.

3. Himawari-8 Real-time Web, 15 Jan 2020, Large volcanic Hunga Tonga-Hunga Ha'apai. https://ingvvulcani.com/2022/01/17/grande-eruzione-vulcano-hunga-tonga-hunga-haapai/.

4. Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations, Hunga Tonga -Hunga Haapai Erupts, https://earthobservatory.nasa.gov/images/149347/hunga-tonga-hunga-haapai-erupts

5. Sentinel 5 satellite observation, The big plume of SO2 emissions from Hunga Tonga -Hunga Haapai eruption reached Australia, ADAM Platform, https://adamplatform.eu/#info

6. r/Europe, Size of the explosion of the volcano in Tonga compared to France, https://www.reddit.com/r/europe/comments/s5mbcz/size_of_the_explosion_of_the_volcano_in_tonga/?utm_source=ifttt

作者：孙卫东、田凡凡、谢国治、王鲲、孙晓乐

来源：中国科学院海洋研究所

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