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衛星新聞 | 從太空看火山噴發,奇觀之外還有什么?

2020年1月12日,從太空觀測的菲律賓塔爾火山噴發,猶如云層中一次突然出現的“風暴”。
當地時間1月12日,位于菲律賓呂宋島上的全球最矮活火山塔爾火山(Taal)噴發,火山灰高度達10至15公里。噴薄而出的火山灰,甚至被運行于3萬多公里之外地球靜止軌道的氣象衛星所查覺。

塔爾火山口長25公里、寬15公里。由于地處熱帶,積水較多,塔爾火山口有火山口湖“塔爾湖”。而在塔爾湖中還有一座小火山“武耳卡諾”——意為“燃燒的山”。如今,這座“怒氣沖天”的火山已使周邊機場停航,并降下飽含火山灰燼的塵雨。

火山噴發往往源自地殼活動。在灼熱的氣體和巖漿噴射出地面之后,首先是相當于噴發柱高度十分之一的氣沖區,然后是噴發柱與大氣進行氣體交換的對流區,頂部是噴發柱與大氣壓力基本達到平衡的擴散區。
擴散區一般占火山噴發柱高度的五分之二,噴發柱內的氣體和密度小的物質沿著水平方向擴散,非常容易形成火山灰云,它們在空中長期飄流,對區域性氣候帶來巨大影響。
2019年6月22日,位于太平洋西北部千島群島上的Raikoke火山在沉寂近百年后噴發。美國國家航空航天局(NASA)的宇航員,在距離地表400公里外的國際空間站拍攝到這一景象,可以清晰看到噴發柱的顏色變化。當噴發柱和大氣密度相等時,就停止上升形成平面,但煙塵仍隨氣流水平擴散。照片來自NASA網站。

從Terra衛星上的中分辨率成像光譜儀(MODIS)圖像中,可以俯視Raikoke火山此次噴發的情況。

下圖是氣象衛星數據的動態效果,顯示了Raikoke火山煙塵水平擴散的樣貌。即使從太空眺望,700米寬火山口的物質噴發,依然顯得猛烈強勁。

衛星觀測,使人們得以觀察火山噴發全貌,特別是各個方向的噴發量,從而為應急救援和防范災變提供指導。而對火山云和煙霧的跟蹤、預測,可為飛行器安全提供預警。
Metis Shoal是位于湯加的一座火山島,形成于1995年的海底火山噴發。2019年10月中旬,一次新的海底火山噴發使該島消失,但在附近形成新島,面積約為Metis Shoal的3倍。



下圖是位于千島群島的Sarychev火山,NASA宇航員拍攝到了它在2009年6月的噴發。科學家分析認為,噴發柱的白色部分,可能是由于噴發使空氣快速升高并冷卻,形成水蒸氣凝結。
科學家認為,這張衛星圖片最值得關注的是從火山頂向下流動的“火山碎屑流”——由火山灰、火山氣體和碎石混合而成的流體,600攝氏度高溫,時速130公里,能夠摧毀上百平方公里范圍內的一切地表生物。

下圖也來自NASA,位于阿拉斯加半島的Pavlof火山于2013年5月13日噴發,火山灰高達6000米。

2019年2月26日,Sentinel衛星觀測到的日本Sakurajima火山噴發,它是日本九州島活躍度最高的火山。

位于危地馬拉的Fuego火山2020年1月噴發,下圖是Sentinel衛星拍攝的1月10日火山噴發后的景象,相鄰的另一座火山仍處于平靜中。

火山灰云甚至可被距離地球100萬公里的深空探測器觀察到。
美國DSCOVR探測器的主要任務是觀察“太空天氣”,比如太陽釋放出的磁場強度。利用它所攜帶的地球多色成像照相機(EPIC),美國科學家觀察了多處火山活動,特別是測量火山噴發釋放二氧化硫氣體時的紫外線數據——一般情況下,二氧化硫在大氣中含量極低,是最易被測量的火山氣體。
下面這個動畫顯示了2018年6月16日加拉帕戈斯群島的費爾南迪納島上,火山噴發產生的二氧化硫情況,二氧化硫的濃度提升及擴散清晰可見。

合成孔徑雷達(SAR)是另一種衛星觀測技術,它發射信號到地面,主動探測地表變化,并可穿透云層和煙霧。
下圖也來自Sentinel衛星,是印尼的Anak Krakatoa火山(三座島嶼中間)在2018年12月22日噴發后的合成孔徑雷達圖片。這次噴發引發的海嘯導致400多人喪生。

合成孔徑雷達圖片放大后可以看到,這座火山在噴發后體積明顯減小,相當于有2平方公里的土地坍塌到海平面之下。根據推算,這座火山體積減少了1.5億立方米,高度也從330多米降低到約110米。

通過衛星技術觀測并預測火山噴發,具有重要的現實意義。科學家認為,全球有大約1500座活火山處于偏遠地區,很難利用地面人工手段監測。
法國科學家認為,熱帶地區大規模火山爆發可導致厄爾尼諾現象發生,從而可能對全球氣候產生重大影響。特別是大型火山爆發后,數百萬噸二氧化硫進入平流層,影響太陽輻射,最終導致全球溫度變化。計算表明,大型火山爆發后厄爾尼諾現象將會達到峰值。
科學家一方面希望利用對地殼運動的觀測預測火山爆發,另一方面也希望通過衛星監測了解大型火山爆發后對于區域乃至全球氣候的影響,而其中一個關鍵數據就是有多少二氧化硫進入平流層,這可以在火山爆發后通過衛星數據計算,而通常這個數字可以達到千萬噸規模。
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