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【前沿报道】Geology:火山灰静电悬浮进入电离层及其对气候的突然影响
2018-11-12 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  火山喷发可能对环境、气候和人类产生全球性影响,比如有一种说法,坦博拉(Tambora)火山爆发是拿破仑在滑铁卢战役中败北的原因之一。火山爆发期间产生的喷发柱由火山灰和气体组成,可以在喷发口上方数公里处抵达平流层(10-50 km),并在那里通过大气环流向全球扩散。例如1991年菲律宾皮纳图博火山喷发产生的火山灰云在不到一个月的时间内就环绕了地球(Oppenheimer,2012)。注入平流层的大量含硫气体和灰尘颗粒,很大一部分在几天内消失,其余的则转化为硫酸和水的混合物,以微小颗粒的形式存在,它们在平流层的停留时间可以长达一年,引起光学效应并散射太阳光,从而对气候产生冷却效应。  

  火山爆发能对地球低层大气造成深刻而长久的影响,那么它能影响中高层大气甚至电离层吗?近期,伦敦帝国理工学院地球科学与工程系研究人员GengeGeology发表封面文章(图1),提出了一种火山爆发影响全球电离层的新机制——喷发柱的电荷引起火山灰的静电悬浮,导致直径<500 nm的火山颗粒进入电离层,并在100 s的时间尺度上干扰电离层。 

 

1 Geology10期封面

  传统观点认为,平流层的逆温效应阻碍了对流上升,因此火山喷出的火山灰不会对高层大气产生重大影响。然而,爆发性火山喷发期间频繁发生的火山闪电现象表明,喷发柱带有显著的电荷(图1)。LaneGilbert的观测及模型表明火山灰通常带负电,而火山气体通常带正电,灰与气体受对流和风的影响发生物理分离,从而产生大净电荷。因此,爆炸性火山喷发可以视为一个发电机和电荷分离器,带电的火山灰颗粒与具有相同极性的净电荷的喷发物之间因为静电相互作用而产生悬浮。 

  颗粒的动态模拟结果如图2所示,直径为50 nm100 nm500 nm的颗粒,从喷发柱(~10 库仑净电荷)通过对流上升到50 km高度后,可以在大约2小时内,分别达到110 km、90 km60 km的高空。大型火山只要喷发的时间较长(如1991年皮纳图博火山喷发的高潮期为9小时),而悬浮颗粒在这段时间内保持带电,它们就有足够的时间抵达最大高度。当然,由于与大气中的正离子发生作用,火山颗粒的电荷会发生松弛,从而限制了悬浮时间。基于气体动力学理论,电荷弛豫时间约为100-1000 s大的爆炸性火山喷发产生的火山灰通常是硅质的,这种材质的电荷弛豫时间更为长久。 

 

2 模拟的50 km直径的火山岩喷发柱上,直径为100 nm(红色)、50 nm(绿色)和10 nm(灰色)的火山颗粒轨迹。平流层中的灰点表示喷发柱内的点电荷,粗体字表示达到峰值高度的时间 

  在几次火山爆发期间,科学家们都观察到了全球尺度的电离层电流扰动,扰动随喷发的量级变化而变化。虽然这种扰动可以从重力波的角度去解释,但它们也可以解释为悬浮粒子的变化结果——静电悬浮将负电荷带入电离层,从而降低大气中的正离子密度。 

  Genge的研究还提出了一个非常新颖的观点,认为火山灰的静电悬浮可能导致全球气候的短期变化。其主要机制是大气电场的显著破坏以及电离层的短响应时间可能会在超级火山喷发期间干扰云的形成,从而减少了全球的云层覆盖和降水。当电离层恢复正常时,全球云团形成受到抑制,大气中H2O的含量增加,云层覆盖得到增强,导致降水增加。这一观点与通常认为由平流层气溶胶引起变化而导致的降水增加机制有显著区别。图3显示了1883826日印尼喀拉喀托火山爆发后的气温数据和降水数据。从喀拉喀托火山喷发前后的降水频率来看,822日至827日期间,记录降水的气象站数量最少(总共138个站点)。 

3  1883年北美、欧洲、俄罗斯和澳大利亚47个站点测量的平均最高和最低日气温(蓝线)。橙色曲线显示记录降水的气象站数,它在1883822-27日之间降至最低(间隔用实线垂直线表示) 

 

  以上研究成果为理解整个地球不同圈层的耦合提出了非常新颖的观点,并从量级上估算了地表火山活动对整个上层大气圈造成的显著影响,文中的推论需要跨学科联合以及更加详细、准确的观测来证实。

     

  相关参考文献  

  1. Genge M J. Electrostatic levitation of volcanic ash into the ionosphere and its abrupt effect on climate[J]. Geology, 2018, 46(10): 835-838.(DOI: 10.1130/G45092.1) 
  2. Oppenheimer C. Eruptions that shook the world [M].New York: Cambridge University Press, 2011. 
  3.      

  (撰稿:赵必强/地星室)

 
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