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近日，湯加海域Hunga Tonga火山（20.5°S，175.4°W）發生噴發並引發大範圍海嘯。
H8衛星雲圖上的湯加火山噴發（圖片來源：JMA）
據新華社報道，湯加首都努庫阿洛法以北約65公里處的洪阿哈阿帕伊島於2022年1月14日（北京時間）上午開始發生火山噴發，15日下午再次噴發。火山的噴發導致大量火山灰、氣體與水蒸氣進入高空形成巨大雲團，噴發至高空20千米處。
H8衛星雲圖上的火山噴發（圖片來源：tropicaltidibits）
在14日火山噴發後，湯加國家海嘯預警中心釋出了全國海嘯預警。氣象局表示，湯加全境面臨海嘯、暴雨、洪水和強風威脅，火山15日噴發造成海水倒灌，首都努庫阿洛法的主要街道都被洪水淹沒，不少建築物被淹。
湯加火山噴發時的衛星照片（圖片來源：看看新聞）
火山噴發的巨大威力引起多個國家的部分地區海水活動異常，斐濟、薩摩亞、萬那杜、紐西蘭、澳大利亞、日本、美國和智利等國也釋出了海嘯預警。
無夏之年：火山噴發與氣候有什麼關係？
如果你認為火山噴發只會導致岩漿肆虐灼燒大地，或是沿海地區發生海嘯災難，那就大錯特錯了。
除了給當地民眾造成巨大的生命和財產損失外，火山噴發還能持續影響氣候變化，例如夏季氣溫偏低、降雨量異常等，而且強度很大。
歷史上，火山噴發就曾導致“無夏之年”。1815年印度尼西亞坦博拉（Tambora）火山爆發導致北半球出現嚴重反常氣候，夏季出現了罕見的低溫和暴風雪，影響波及歐美亞三大洲。坦博拉火山噴發也導致了我國大範圍出現低溫，莊稼歉收，是雲南三年大饑荒的直接原因。
在最近一千年的氣候波動中，火山活動是影響氣溫變化的重要因子。
IPCC AR4報告中火山活動對近千年來氣溫波動的影響示意圖（圖片來源：參考文獻2）
火山爆發指數（Volcanic Explosivity Index，簡稱VEI）是由美國地質調查局的紐豪爾教授和夏威夷大學馬諾阿分校的斯蒂芬塞爾夫提出的。它透過對噴出物體積、火山雲的定性觀測來量度火山爆發的強烈程度，數值越大，代表火山爆發強度範圍能量釋放以及對周圍的破壞程度越強。
火山爆發指數及其特徵（表格來源：參考文獻7）
導致“無夏之年”的印度尼西亞坦博拉火山爆發指數（VEI）是7，而有跡象表明本次湯加火山爆發的VEI指數可能達到6。此前一次VEI達6級的是1991年菲律賓的皮納圖博（Pinatubo)火山噴發，令全球氣溫低於正常值0.3-0.5度。
明明是熾熱的岩漿，為什麼會導致氣候變冷？
那麼，火山噴發為什麼會和氣候產生關聯呢？研究表明，火山活動對氣候系統的影響機制主要包含以下幾點：
第一，火山灰顆粒阻擋太陽輻射。火山活動可以釋放出大量熾熱的火山灰和氣體，進入大氣層中的火山灰可以有效地阻擋太陽輻射，導致氣溫降低。並且火山灰顆粒的體積和重量較大，在大氣中的滯留時間比較長，一般介於6-12個月之間。
例如1980年美國華盛頓州的聖海倫斯火山（Mount St. Helens）噴發時，研究者根據觀測點記錄的地面氣象資料統計發現，由於火山灰的影響，噴發當日白天的氣溫下降了足足有８℃。
第二，硫酸氣溶膠散射和反射太陽輻射。強火山噴發把大量含硫氣體注入大氣層，這些氣體經過一系列化學反應在平流層下部形成硫化物氣溶膠，同時還透過改變整個大氣中的SO2、CO2、H2S、CH4以及微小固體顆粒物平衡，造成大氣層的光化學過程異常。
氣溶膠與水汽混合形成火山雲，使到達地表的直接太陽輻射顯著減少，散射太陽輻射增加，從而導致地表總輻射減少，造成降溫。此外，平流層硫化物氣溶膠顆粒還會吸收近紅外波段短波輻射、地表及低層大氣發射的長波輻射，使平流層增溫。
火山雲隨大氣環流在2-3周內迅速蔓延至全球，更有甚者會影響全球氣候。一次較大的火山噴發可以導致全球氣溫降低0.2-0.5℃。平流層不存在降水的清洗作用，因此火山氣溶膠持續滯留的時間可達2-3年。
例如，1991年菲律賓的皮納圖博火山噴發時，據裝備在衛星上測量全球臭氧濃度的儀器實時監測結果顯示，超過20×10^12g（Tg）的氣態二氧化硫和火山灰物質被輸送到大氣平流層中。經過一系列反應，這些火山物質最終產生了約30×10^12g的H2SO4／H2O氣溶膠。在火山噴發後的兩年內，氣溶膠對氣候仍在不斷產生影響。
第三，火山噴發產生的氣溶膠會影響平流層中臭氧的化學反應。平流層臭氧的生成與消減會影響平流層紫外輻射的通量。火山噴發物氣溶膠不僅可以影響平流層氣溫，還可以提供更多的氣溶膠表面作為臭氧的反應場所，從而改變化學反應的速率，降低平流層臭氧濃度，減少紫外輻射吸收，減少平流層底部的輻射加熱。但由於火山噴發物氣溶膠對其它波段和地面長波輻射的吸收，總體仍然致使平流層溫度升高。
第四，火山噴發還會透過影響局地大氣環流系統從而影響氣候。瞭解了幾個真實事件後或許你已經發現了，強度較大的火山事件通常會導致夏季降溫。但在冬季，北美洲和歐亞大陸大部分地區氣溫的升降以及變化的幅度則取決於噴發點的位置。
近幾十年爆發於熱帶地區的兩次火山事件均引起噴發當年北美和歐洲部分地區冬季氣溫的升高。在這種情境下，低壓系統和冷空氣長時間滯留於高緯度地區，導致更強的西風環流攜帶更多的海洋暖溼空氣進入陸地，從而導致受影響地區冬季氣溫的升高。
火山噴發對氣候影響示意圖（圖片來源：參考文獻2）
我國氣候受強火山噴發的影響也較為顯著，許多年際氣候異常與強火山噴發事件脫不了干係。例如，1991年菲律賓的皮納圖博火山爆發後，1992年中國出現了大範圍的夏秋季氣溫偏低現象，東北至內蒙地區和長江下游地區還出現了不同程度的冷害。
針對強火山噴發後我國溫度變化的趨勢，相關研究表明，在強火山噴發後的1-2年，我國溫度基本以下降為主，但降溫強度存在顯著的區域與季節差異。我國冬半年溫度變化明顯的區域主要集中在青藏、東中部地區，其次為東南地區，最後為西北和東北地區。
不同緯度、不同季節的強火山噴發對我國冬半年溫度區域差異影響（圖片來源：參考文獻3）
我國夏半年溫度變化受火山噴發影響的區域較冬半年偏少，主要集中在青藏和東北地區，且各區域升、降溫變化差異明顯。
不同緯度、不同季節的強火山噴發對我國夏半年溫度區域差異影響（圖片來源：參考文獻3）
樹木年輪和冰芯：來自大自然的司馬遷
除了衛星監測，人類還可以透過哪些方式瞭解火山活動呢？其實，大自然什麼都知道。火山活動對氣溫、降水等產生的影響，會被樹木年輪、珊瑚、石筍等介質所記錄，為科學家研究火山噴發對氣候的影響提供了參考資料。
樹木年輪以其解析度高、複本量大、定年準確和分佈範圍廣等特點，為確定歷史強火山噴發時間及研究其對氣候變化影響提供了重要支援。早在20世紀30年代，美國研究人員就開始利用樹輪資料對火山事件進行定年，研究者透過對比美國西部過去5000多年樹木的霜輪與氣象事件及主要火山活動的關係，認為強火山噴發是出現霜輪的因素之一。
樹幹橫切面上的年輪（圖片來源：Wikipedia）
還有研究表明火山噴發後引起的夏季低溫是樹木淺輪形成的一個重要因素。如1398-1982年，加拿大魁北克北部66%的淺輪發生年與火山噴發活動吻合。概括來說，樹木中的特徵輪在一定條件下可以作為確定火山噴發時間的直接證據。
除了樹木外，冰也是一個優秀的記錄者。火山噴發物質或次生氣溶膠可以隨大氣環流傳輸至極地冰蓋和山地冰川區並保存於冰中。與其他介質相比，冰芯以其解析度高、時間序列長、能夠真實記錄火山噴發物質等特點，在火山活動研究中具有其他介質所不可比擬的優勢。
從鑽頭中取出的冰芯樣本（圖片來源：Wikipedia）
20世紀70年代，丹麥冰川學家首次認識到冰芯中酸性物質（主要是硫酸）濃度的異常變化可以反映火山活動，併成功利用格陵蘭3支冰芯重建了過去200年的火山歷史。此後，眾多的南極和格陵蘭冰蓋以及山地冰芯被用於對火山沉積歷史的重建與研究。研究人員可以透過對冰芯中各斷代層的化學成分、粒子含量等要素進行測定，來度量一些重要的火山噴發引數。
雖然湯加火山的爆發暫未對中國沿岸造成災害性影響，且截至當前暫無中國公民傷亡報告，但是此次火山噴發將如何影響中國乃至全球氣候，仍需要更多的資料，也需要有關專家的進一步研究。
參考文獻：
1.新華社北京1月16日電 綜述：湯加海底火山噴發 多國發布海嘯預警
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8.每日經濟新聞1月16日快訊 湯加海底火山噴發，中國沿海海域16日凌晨監測到海嘯波
