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火山喷发如何搅动全球气候

时间:2022-12-17  来源:中国气象报社  点击率:4809
  

专家顾问:

中国地质大学地球科学学院教授 马昌前

中国科学院大气物理研究所博士后 左萌

中国科学院大气物理研究所研究员 周天军

中国科学院西北生态环境资源研究院研究员 李传金

在11月28日夏威夷冒纳罗亚火山、12月3日印尼塞梅鲁火山相继喷发后,当地时间12月5日,10月已经喷发过一次的意大利西西里岛以北的斯特龙博利火山再度猛烈喷发,意大利民防部门随后发布火山活动橙色预警。当地时间12月10日,位于危地马拉首都危地马拉城西南约40公里处的富埃戈火山开始喷发,火山熔岩蔓延约800米。

近期全球多地火山活动较为活跃。火山爆发受哪些因素掌控,跟气候变化有关系吗?火山喷发后气候是变暖还是变冷?火山和农业又是如何在漫长的时间中磨合成为“黄金搭档”的?本期看台就此聚焦。

“魔盒”揭开之手

火山喷发是地球释放内部能量的一种方式,即由地下熔融的岩浆及其携带的固体碎屑冲出地表,或以熔岩形式堆积形成山体,或以火山灰形式随气流迁移远处卸载。据了解,全球约有1500座活火山,有史以来记录的火山喷发约600座,每年有50~70座/次火山喷发。几千年来,火山灾害已经夺走了很多人的生命。

火山系统是复杂和动态的,许多因素都会导致活火山下面的岩浆储库与周围的岩石之间的重力平衡状态变得不稳定,从而导致火山喷发。根据马昌前的分析,触发火山喷发的内部原因主要与岩浆体内部的浮力增加和流动性的过程有关。岩浆储库含有足够多的热和具有流动性的岩浆,能为岩浆提供足够的能量到达地表,也为火山喷发提供物质。在储库积累过程中,就有可能增加岩浆系统的热和流动性,促进内部超压。

在外部原因方面,地球表层环境和气候变化或许是影响和触发火山喷发的“罪魁祸首”。当大量冰川融化后,原先冰川施加给岩浆、地壳板块的压力会减轻或转移,从而导致它们变得不稳定。有研究表示,冰川循环相关的冰和水分布的变化对火山喷发会产生不同程度的影响,其中地表和大气条件对喷发方式和火山灰柱的上升过程有明显影响,大气环流和降水的变化也可能影响到火山灰的生命周期。

在活火山区,大规模的冰川融化会加剧火山活动。比如在冰岛,与较早的寒冷冰期相比,末次冰期结束后的平均喷发率高达100倍,即冰盖较厚时,火山喷发较少,因为1000~3000米的冰层厚度就会使冰覆盖的火山延迟数年至数十年才喷发。

冰川消融还会加快火山喷发的进程。随着冰川和冰盖的融化,地球表面压力减小,作用在地圈内岩石上的力(应力)也发生了变化,从而引起更多喷发。

同时,海平面降低、潮汐应力变化或降水量变化等,都可能成为引爆火山喷发的“导火索”。

海平面高度的变化能影响火山喷发。有研究发现,火山活动随季节变化而不同,世界范围内的火山喷发在北半球冬季时要比夏季多20%,原因可能是进入北半球冬季时全球海平面会略有下降,因为北半球的陆地面积较南半球大,相对于南半球冬季而言,北半球冬季时会有更多的水被以冰和雪的形式留在陆地上。

世界上绝大多数最活跃的火山都分布在海岸线几十千米的范围内,因此,以海平面下降这种形式所表现出的大陆边缘海水重量的季节性减少在世界各地都有可能触发火山喷发。虽然海平面下降时会出现一些火山喷发现象,但是这并不一定意味着气候变化所导致的海平面上升会抑制火山活动。

此外,降雨量的变化也能引起火山喷发。2001年,加勒比海蒙特塞拉特(Montserrat)岛的Soufrière火山喷发,大雨是主要原因。大雨破坏了Soufrière火山穹丘的稳定性,致其坍塌,然后大量岩浆被释放出来。

火山喷发出的气体改变了地球的大气层,其中的温室气体还可能引发过度的温室效应和全球变暖,并导致海洋循环减慢、缺氧和海水酸化等,也可能会产生火山冬天。然而,尽管强烈的火山喷发会造成气候灾害,但也并非全无益处。长期来看,这些火山通过快速的风化作用帮助消化了碳,稳定了地表温度,进而调节全球气候。火山活动维持地球的宜居性,火山岩中蕴含了多种矿产、宝石、油气和地热资源,造就了肥沃的土地和优美的景观,同时是认识地球深处的窗口,也是考古、地质历史和生命演化研究的重要标尺。

地球的“降温剂”?

距今约7.5万年以前,印尼苏门答腊岛的托巴 (Toba) 超级火山爆发,达到超大规模的8级 (火山爆发指数),据估计喷发出了2800立方千米的物质。火山灰的沉积范围向西一直到印度次大陆和阿拉伯海,向东北方向到达1500~1800公里的中国南海。

随之而来的是全球长达6~10年的火山冬天。根据科学家的估测,这期间全球平均温度降低超过5℃,在中高纬度降温甚至超过10℃,而全球范围内最大降温或达到15℃。有研究认为此次超强火山爆发甚至改变了地球上各种生命的进程,当时地球人类数量可能降低到了有史以来的最低值(全球人口数降低到1万~3万),人类演化差点被推到了灭绝的边缘。

这次火山爆发对气候和人类的影响之大,不禁让我们想知道火山喷发到底是如何影响气候的?

从直观印象上看,火山喷发会产生大量的火山灰,但火山影响气候并不是通过火山灰,因为火山灰是比较大的颗粒,这些矿物颗粒物质会在火山喷发点周围逐渐沉降。真正影响气候的“另有其人”——含硫气体,包括二氧化硫和硫化氢等。

火山喷发将含硫气体喷入平流层,经过化学反应后形成硫酸盐气溶胶。平流层环流非常稳定,空气以水平运动为主。在平流层的“帮助”下,局地火山喷发形成的气溶胶会弥漫至全球。

这些气溶胶可在平流层中停留数年之久,它们会阻挡太阳辐射,帮助地球将更多的阳光反射出去,在大气层内产生冷却效应,就像给地球打了一把“遮阳伞”,从而导致全球平均温度下降,这也被称为“遮阳伞”效应。

显然,火山喷发对全球气候影响的大小与进入平流层的硫酸盐气溶胶的质量有关。自1950年以来有3次大规模低纬度火山喷发:1963年阿贡火山喷发,有约800万吨二氧化硫进入平流层;1982年埃尔奇琼火山喷发,有约700万吨二氧化硫进入平流层;而1991年皮纳图博火山喷发,大约有2000万吨二氧化硫进入平流层。这三次火山喷发均造成了之后1~2年的全球气候异常。

此外,火山喷发还可能引发厄尔尼诺事件,以此影响全球气候。

有研究发现,火山爆发会增加厄尔尼诺事件发生的可能性,同时也跟火山爆发前的海洋状态有关。如果在火山爆发之前,海洋处于中性或拉尼娜状态,则在火山爆发之后的第一个北半球冬季,大约81%的热带火山爆发之后都会出现厄尔尼诺事件。另外火山爆发所处的地理位置也是影响厄尔尼诺事件的重要因素。然而,目前有关这方面的研究尚存在很多争议,需要进一步研究。

火山喷发既然能给地球降温,那么其能否抵消全球增暖趋势呢?历史记录表明,单一火山事件的喷发,其直接影响气候的时间一般持续1~2年,在短期内使温度降低,造成冷暖振荡,随着气溶胶的消散温度会逐渐恢复正常,因此不足以改变全球长期增温趋势。

对全球火山喷发所产生二氧化碳排放的研究都表明,当今的地下和海底火山释放的二氧化碳不到目前人类活动释放的二氧化碳的百分之一,人为二氧化碳排放量分别是全球火山二氧化碳年排放量最大值和最小值估计值的80~270倍。1980年圣海伦斯火山喷发仅用了9个小时就将大约1000万吨二氧化碳排放到大气中。然而,目前人类只需要2.5小时就可以释放出等量的二氧化碳。

但如果在一定时期内,火山爆发频率集中增加或者减少,则足以造成这个时期的气候异常。例如,关于中世纪暖期(900—1300年)小冰期(1550—1850年)的成因,一般认为前者是由于火山爆发的频率较低,后者则是因为火山爆发的频率较高,此外太阳辐照度的变化也有影响。

除了给全球降温外,火山喷发还能够给世界很多地区带来显著的降雨变化。在历史上,多次高强度大范围干旱事件均与火山喷发存在联系。火山喷发后,由于地表温度降低,造成水汽减少,因此从全球平均来看,降雨是减少的。研究表明,包括亚澳季风区、美洲季风区和非洲季风区在内的全球季风区,在热带火山喷发后的1~2年之内,降水都会不同程度地减少,中国东部、北部以及印度北部的干旱事件增多。

农业的“双刃剑”

高达1300℃的熔岩像滚烫的钢水一样吞噬每一寸土地,碎屑蔽日,浓烟遮天……在许多人眼中,火山有着地球上最富毁灭性的力量,但死气沉沉之下亦有生机,对农业来说尤其是如此。

火山喷发与农业减产之间的因果关系有理有据。1815年4月15日,坦博拉火山爆发, 次年全球气温平均下降0.53℃,史称“无夏之年”,欧洲、北美、亚洲均出现大面积作物歉收和饥荒。1883年5月至10月,喀拉喀托火山爆发,一年后北半球夏季平均气温下降0.40℃,五年内全球平均气温下降1.20℃,叠加1887年冬末到1888年夏的干旱,英国各地农作物产量受损。1991年6月15日,菲律宾皮纳图博火山喷发,使北半球平均气温下降约0.50℃~0.60℃,全球气温下降约0.40℃,影响存续期间,美国多种作物产量下降,其中豆类产量三年下降约35%……

这些可怕的结果不是一蹴而就的。一般来说,火山爆发达到一定强度,就天然给影响范围内的农业生产压上了三座“大山”。

第一座山叫“火”。拥有极高温度的熔岩流在地表,所到之处,寸草不生,更不用说庄稼了,这是最直观也是最酷烈的影响。

第二座山叫“灰”。虽然叫“灰”,火山灰却绝不是轻飘飘的尘埃,而是岩浆中诞生的数量庞大的火山碎屑物。几十厘米的火山灰就能压塌一栋建筑,而对于处于灌浆时期的农作物来说,哪怕是覆上0.1毫米都会导致绝收。当然,火山灰也会通过散射和吸收太阳辐射造成降温,但由于其主要成分为硅酸盐颗粒,粒径一般都在2微米以上,在重力或者雨水的冲刷等作用下,可以很快从平流层中清除,此种影响较为有限。

第三座山叫“气”。火山喷出高浓度聚集的二氧化碳气体可能会使农作物和牲畜窒息死亡,更可怕的是,其喷发释放的二氧化硫气体上升进入平流层,形成的硫酸盐气溶胶可在平流层中存留数年之久,通过散射和吸收太阳辐射影响全球气候变化,造成气候变冷、阴雨天增加。此外,二氧化硫气体还可能在火山的下风区域形成酸雨,导致作物减产。

当然,若是把时间尺度再拉长一些,数年、数十年甚至数百年后再看,火山灰将沉降、分解形成肥沃土壤,含有大量农作物需要的磷、钾等成分。大洋深处喷出的火山熔岩开疆拓土,冷却形成坚硬的岩石,又不断堆砌最终露出海面成为岛屿。伴随着活跃的火山而生的大量热水及热气蕴藏于地下,为水产养殖、农用温室等提供源源不断的热能。在欧洲,维苏威火山地区盛产葡萄,酿出的红酒回味悠长;在我国,昌乐、涠洲岛等地依托火山土壤种出的西瓜、香蕉等作物品质优异,成为经济发展的重要动力;在冰岛,地热滋养了全国总面积达19.5万平方米的绿色温室,生产的西红柿、黄瓜可满足国内70%的市场需求……这些都得益于火山提供的各种“营养”。

火山和农业,在漫长的时间中磨合成了“黄金搭档”。

(作者:罗澜 吴初桐 叶奕宏 责任编辑:张明禄)


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