火山噴發對大氣影響真的很大嗎?

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說起火山,大家首先會想到什麼?是岩漿肆虐灼燒大地,空中瀰漫的火山灰,還是由此引發的海嘯、地震、逃生的生靈?實際上,除了對生態環境造成破壞,火山噴發還能影響氣候變化,例如導致夏季氣溫偏低、降水量異常等種種現象。那麼,為什麼熾熱的岩漿卻會導致氣溫的降低?快讓我們來一探究竟吧!

圖1 火山噴發岩漿肆虐(左)、火山地震(右上)、火山海嘯(右下)

#1

火山噴發是怎樣影響大氣的?

火山噴發時,不僅有大量岩漿噴湧而出,還會釋放出大量的火山灰,火山灰是由岩石、礦物、火山玻璃碎片組成的碎屑物,他們的體積和重量較大,不均勻分佈在大氣中,很大程度上阻擋了太陽輻射。1980年美國聖海倫斯火山噴發時,研究者通過地面氣象資料發現,由於火山灰的影響,噴發當日白天的氣溫下降了有8℃。

圖2 火山灰
圖2 火山灰

圖2 火山灰

火山灰體積較大,它們大多停留在對流層內,這些顆粒會隨著降水逐漸沉降,不會對氣候產生較長時間的影響,真正對氣候造成較大影響的是含硫氣體。火山噴發時,大量含硫氣體噴入平流層,並氧化生成硫酸鹽氣溶膠,隨著大氣環流在全球範圍進行擴散。氣溶膠粒子在平穩的平流層內長期生存,像一把大傘,將太陽輻射散射和反射出去,造成近地面及對流層溫度降低。另一方面,這些氣溶膠又會吸收地表及低層大氣發射的長波輻射,使得平流層內溫度升高。

圖3 火山噴發對大氣影響示意圖,低層大氣溫度降低,中高層大氣溫度升高

那麼,地球上大大小小的火山噴發,都會對全球氣候造成重大影響嗎?答案顯然是否定的。目前,火山噴發強度一般用火山噴發指數(VEI)來表示,分為0-8級。VEI數值越大,火山噴發強度越大。1815年印度尼西亞坦博拉火山噴發,VEI等級達到了7級,噴出150-170立方千米火山灰,相當於6萬顆在廣島原子彈「小男孩」噴發的能量,並造成了約71000人死亡。這次火山噴發影響遍及全球,歐洲和北美地區在火山噴發後的次年6、7、8月,出現了罕見的低溫和暴風雪。根據紐約郊區當地人的記錄,1816年5月,山上還和冬天一樣光禿禿的,每天溫度還會降到冰點以下;6月9日,地面還是冰凍狀態;7月7日依然很冷,所有作物都停止生長……歷史上也稱這一年為「無夏之年」。

圖4 1815年坦博拉火山噴發(上)與估算的1816年夏季歐洲溫度異常(下)

同年,我國的史書記載顯示,中國南方多地也出現了異常雨雪天氣,如農曆七月,安徽和江西下起暴雪,雲南地區寒冷如冬,農作物幾乎都被凍死,是造成嘉慶大饑荒的主要原因。

圖5 雲南《鄧川縣誌》記載,嘉慶二十一年(1816年)「是歲大飢,路死枕籍」

無夏之年在人類藝術領域中也有跡可循,19世紀很多油畫都出現了火山雲瀰漫天空的場景。此外,火山噴發產生的大量塵埃和火山灰氣溶膠更有利於散射現象的發生,於是就形成了更加絢麗的日出、日落與晚霞。

圖6 油畫作品中火山氣溶膠影響下的天空
圖6 油畫作品中火山氣溶膠影響下的天空

圖6 油畫作品中火山氣溶膠影響下的天空

#2

火山噴發一定會導致氣溫降低嗎?

雖然大型火山噴發會導致夏季氣溫降低,但在冬季北美洲和歐亞大陸地區,氣溫的降低或升高取決於火山噴發點的位置。近幾十年噴發於熱帶地區的兩次火山事件,1991年皮納圖博火山(菲律賓呂宋西部)和1982年厄奇衝火山(墨西哥南部)噴發引起了北美和歐洲部分地區冬季氣溫升高。這是由於在火山氣溶膠的「陽傘效應」下,大西洋海溫降低,亞速爾高壓氣壓升高,冰島低壓降低,導致北大西洋濤動增強。在這種情況下,兩個活動中心氣壓差增大,低壓系統和冷空氣長時間滯留於高緯度地區,北大西洋中緯度更強的西風環流攜帶更多的海洋暖溼空氣進入陸地,從而導致部分地區冬季氣溫升高。

圖7 太陽直接輻射(上)及氣溶膠散射輻射(下)的時間序列,在1982及1991年,受火山噴發影響,太陽輻射減弱,氣溶膠散射輻射增強

#3

火山噴發對降水的影響

火山噴發不僅會對氣溫造成影響,還會引起降水量的改變。火山噴發後,近地表溫度降低,蒸發作用減弱,大氣中所含水汽減少,這導致全球範圍的平均降水量也顯著下降。研究表明,在火山噴發後的1-2年,我國東部、北部以及印度北部的乾旱事件均增多。

雖然火山噴發會造成全球平均降水減少,但由於降水的另一控制因素——環流的變化在各區域特徵不同,導致降水變化也具有不同的區域特徵。研究人員發現,南、北半球火山噴發會導致位於同一半球的季風區降水減少,而另一半季風區降水增加。同一半球的季風區降水減少,主要是由於火山噴發後近地表溫度降低,海陸熱力對比減弱,導致季風環流減弱、水汽減少。另一方面,火山噴發後南北半球溫度差增大,導致低層風發生改變,從火山噴發所在半球吹向另一半球的風增強,它們將熱帶地區暖溼空氣攜帶至另一半球季風區,導致另一半球的降水量增加。

#4

如果沒有火山地球會怎麼樣?

雖然火山噴發會給全球氣候和生態系統帶來危害,但是長期來看,火山作為自然界的組成部分,我們不能簡單用好或壞來定義它。在地球形成的最初階段,就是由於火山活動所噴發的氣體緊貼地表,才形成了最原始的地球大氣圈。若沒有火山噴發帶來的地質活動,也不會形成山川、大海,更沒有自然界豐富多彩的地形地貌。

圖8 噴發後的火山
圖8 噴發後的火山

圖8 噴發後的火山

參考文獻

1. 北京日報:南半球火山噴發對北半球氣候影響大嗎?(2022.4.6)

2.人民諮詢:湯加大災,想起嘉慶二十年那場大噴發!(2022.1.19)

3. 中國科普博覽:湯加火山噴發,熾熱岩漿的噴出卻可能造成全球氣溫下降?(2022.1.17)

4. 李傳金,任賈文,秦大河,效存德,侯書貴,丁明虎.火山活動的氣候影響及其冰芯記錄研究進展[J].冰川凍土,2012,34(04):863-876.

5. 曲維政,朱小潔,趙進平,杜凌,鄧聲貴,黃菲.火山活動對於北大西洋濤動的激發作用[J].海洋學報(中文版),2010,32(02):54-65.

6.Robock A. Volcanoes: Role in Climate[M]// Encyclopedia of Atmospheric Sciences. London: Academic Press, 2003:2494-2500.

7. Simkin T, and Siebert L. Volcanoes of the World (2nd Version) [M]. Tucson: Geoscience Press, 1994.

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