制作：歆吾科普
监制：中国科学院计算机网络信息中心
近日，汤加海域hunga tonga火山（20.5°s，175.4°w）发生喷发并引发大范围海啸。
h8卫星云图上的汤加火山喷发
（图片来源：jma）
据新华社报道，汤加首都努库阿洛法以北约65公里处的洪阿哈阿帕伊岛于2022年1月14日（北京时间）上午开始发生火山喷发，15日下午再次喷发。火山的喷发导致大量火山灰、气体与水蒸气进入高空形成巨大云团，喷发至高空20千米处。
h8卫星云图上的火山喷发
（图片来源：tropicaltidibits）
在14日火山喷发后，汤加国家海啸预警中心发布了全国海啸预警。气象局表示，汤加全境面临海啸、暴雨、洪水和强风威胁，火山15日喷发造成海水倒灌，首都努库阿洛法的主要街道都被洪水淹没，不少建筑物被淹。
汤加火山喷发时的卫星照片
（图片来源：看看新闻）
火山喷发的巨大威力引起多个国家的部分地区海水活动异常，斐济、萨摩亚、瓦努阿图、新西兰、澳大利亚、日本、美国和智利等国也发布了海啸预警。
无夏之年：火山喷发与气候有什么关系？
如果你认为火山喷发只会导致岩浆肆虐灼烧大地，或是沿海地区发生海啸灾难，那就大错特错了。
除了给当地民众造成巨大的生命和财产损失外，火山喷发还能持续影响气候变化，例如夏季气温偏低、降雨量异常等，而且强度很大。
历史上，火山喷发就曾导致“无夏之年”。1815年印度尼西亚坦博拉（tambora）火山爆发导致北半球出现严重反常气候，夏季出现了罕见的低温和暴风雪，影响波及欧美亚三大洲。坦博拉火山喷发也导致了我国大范围出现低温，庄稼歉收，是云南三年大饥荒的直接原因。
在最近一千年的气候波动中，火山活动是影响气温变化的重要因子。
ipcc ar4报告中火山活动对近千年来气温波动的影响示意图
（图片来源：参考文献2）
火山爆发指数（volcanic explosivity index，简称vei）是由美国地质调查局的纽豪尔教授和夏威夷大学马诺阿分校的斯蒂芬塞尔夫提出的。它通过对喷出物体积、火山云的定性观测来量度火山爆发的强烈程度，数值越大，代表火山爆发强度范围能量释放以及对周围的破坏程度越强。
火山爆发指数及其特征
（表格来源：参考文献7）
导致“无夏之年”的印度尼西亚坦博拉火山爆发指数（vei）是7，而有迹象表明本次汤加火山爆发的vei指数可能达到6。此前一次vei达6级的是1991年菲律宾的皮纳图博（pinatubo)火山喷发，令全球气温低于正常值0.3-0.5度。
明明是炽热的岩浆，为什么会导致气候变冷？
那么，火山喷发为什么会和气候产生关联呢？研究表明，火山活动对气候系统的影响机制主要包含以下几点：
第一，火山灰颗粒阻挡太阳辐射。火山活动可以释放出大量炽热的火山灰和气体，进入大气层中的火山灰可以有效地阻挡太阳辐射，导致气温降低。并且火山灰颗粒的体积和重量较大，在大气中的滞留时间比较长，一般介于6-12个月之间。
例如1980年美国华盛顿州的圣海伦斯火山（mount st. helens）喷发时，研究者根据观测点记录的地面气象资料统计发现，由于火山灰的影响，喷发当日白天的气温下降了足足有８℃。
第二，硫酸气溶胶散射和反射太阳辐射。强火山喷发把大量含硫气体注入大气层，这些气体经过一系列化学反应在平流层下部形成硫化物气溶胶，同时还通过改变整个大气中的so2、co2、h2s、ch4以及微小固体颗粒物平衡，造成大气层的光化学过程异常。
气溶胶与水汽混合形成火山云，使到达地表的直接太阳辐射显著减少，散射太阳辐射增加，从而导致地表总辐射减少，造成降温。此外，平流层硫化物气溶胶颗粒还会吸收近红外波段短波辐射、地表及低层大气发射的长波辐射，使平流层增温。
火山云随大气环流在2-3周内迅速蔓延至全球，更有甚者会影响全球气候。一次较大的火山喷发可以导致全球气温降低0.2-0.5℃。平流层不存在降水的清洗作用，因此火山气溶胶持续滞留的时间可达2-3年。
例如，1991年菲律宾的皮纳图博火山喷发时，据装备在卫星上测量全球臭氧浓度的仪器实时监测结果显示，超过20×10^12g（tg）的气态二氧化硫和火山灰物质被输送到大气平流层中。经过一系列反应，这些火山物质最终产生了约30×10^12g的h2so4／h2o气溶胶。在火山喷发后的两年内，气溶胶对气候仍在不断产生影响。
第三，火山喷发产生的气溶胶会影响平流层中臭氧的化学反应。平流层臭氧的生成与消减会影响平流层紫外辐射的通量。火山喷发物气溶胶不仅可以影响平流层气温，还可以提供更多的气溶胶表面作为臭氧的反应场所，从而改变化学反应的速率，降低平流层臭氧浓度，减少紫外辐射吸收，减少平流层底部的辐射加热。但由于火山喷发物气溶胶对其它波段和地面长波辐射的吸收，总体仍然致使平流层温度升高。
第四，火山喷发还会通过影响局地大气环流系统从而影响气候。了解了几个真实事件后或许你已经发现了，强度较大的火山事件通常会导致夏季降温。但在冬季，北美洲和欧亚大陆大部分地区气温的升降以及变化的幅度则取决于喷发点的位置。
近几十年爆发于热带地区的两次火山事件均引起喷发当年北美和欧洲部分地区冬季气温的升高。在这种情境下，低压系统和冷空气长时间滞留于高纬度地区，导致更强的西风环流携带更多的海洋暖湿空气进入陆地，从而导致受影响地区冬季气温的升高。
火山喷发对气候影响示意图
（图片来源：参考文献2）
我国气候受强火山喷发的影响也较为显著，许多年际气候异常与强火山喷发事件脱不了干系。例如，1991年菲律宾的皮纳图博火山爆发后，1992年中国出现了大范围的夏秋季气温偏低现象，东北至内蒙地区和长江下游地区还出现了不同程度的冷害。
针对强火山喷发后我国温度变化的趋势，相关研究表明，在强火山喷发后的1-2年，我国温度基本以下降为主，但降温强度存在显著的区域与季节差异。我国冬半年温度变化明显的区域主要集中在青藏、东中部地区，其次为东南地区，最后为西北和东北地区。
不同纬度、不同季节的强火山喷发对我国冬半年温度区域差异影响
（图片来源：参考文献3）
我国夏半年温度变化受火山喷发影响的区域较冬半年偏少，主要集中在青藏和东北地区，且各区域升、降温变化差异明显。
不同纬度、不同季节的强火山喷发对我国夏半年温度区域差异影响
（图片来源：参考文献3）
树木年轮和冰芯：来自大自然的司马迁
除了卫星监测，人类还可以通过哪些方式了解火山活动呢？其实，大自然什么都知道。火山活动对气温、降水等产生的影响，会被树木年轮、珊瑚、石笋等介质所记录，为科学家研究火山喷发对气候的影响提供了参考资料。
树木年轮以其分辨率高、复本量大、定年准确和分布范围广等特点，为确定历史强火山喷发时间及研究其对气候变化影响提供了重要支持。早在20世纪30年代，美国研究人员就开始利用树轮资料对火山事件进行定年，研究者通过对比美国西部过去5000多年树木的霜轮与气象事件及主要火山活动的关系，认为强火山喷发是出现霜轮的因素之一。
树干横切面上的年轮
（图片来源：wikipedia）
还有研究表明火山喷发后引起的夏季低温是树木浅轮形成的一个重要因素。如1398-1982年，加拿大魁北克北部66%的浅轮发生年与火山喷发活动吻合。概括来说，树木中的特征轮在一定条件下可以作为确定火山喷发时间的直接证据。
除了树木外，冰也是一个优秀的记录者。火山喷发物质或次生气溶胶可以随大气环流传输至极地冰盖和山地冰川区并保存于冰中。与其他介质相比，冰芯以其分辨率高、时间序列长、能够真实记录火山喷发物质等特点，在火山活动研究中具有其他介质所不可比拟的优势。
从钻头中取出的冰芯样本
（图片来源：wikipedia）
20世纪70年代，丹麦冰川学家首次认识到冰芯中酸性物质（主要是硫酸）浓度的异常变化可以反映火山活动，并成功利用格陵兰3支冰芯重建了过去200年的火山历史。此后，众多的南极和格陵兰冰盖以及山地冰芯被用于对火山沉积历史的重建与研究。研究人员可以通过对冰芯中各断代层的化学成分、粒子含量等要素进行测定，来度量一些重要的火山喷发参数。
虽然汤加火山的爆发暂未对中国沿岸造成灾害性影响，且截至当前暂无中国公民伤亡报告，但是此次火山喷发将如何影响中国乃至全球气候，仍需要更多的数据，也需要有关专家的进一步研究。
参考文献：
1.新华社北京1月16日电 综述：汤加海底火山喷发 多国发布海啸预警
2.李传金,任贾文,秦大河,效存德,侯书贵,丁明虎.火山活动的气候影响及其冰芯记录研究进展[j].冰川冻土,2012,34(04):863-876.
3.郝志新,孙迪,张学珍,郑景云.20世纪以来强火山喷发对中国温度变化区域差异的影响[j].地理科学进展,2016,35(03):331-338.
4.李明启,邵雪梅.基于树轮资料初探过去千年强火山喷发与青藏高原东部温度变化关系[j].地球科学进展,2016,31(06):634-642.
5.陈友平,陈峰,张合理,胡茂,王世杰,hadad martín ariel,roig ju?ent fidel alejandro.树轮记录的自公元1200年以来强火山喷发事件与高亚洲南部河流源区气候水文变化的关联[j].第四纪研究,2021,41(02):323-333.
6.陈欣. 北半球近千年地表温度重建：多尺度融合方法研究[d].清华大学,2017.
7.黄庭. 东北泥炭记录的全新世火山喷发事件及其古气候响应研究[d].中国地质大学,2013.
8.每日经济新闻1月16日快讯 汤加海底火山喷发，中国沿海海域16日凌晨监测到海啸波