此次火山喷发现场，从船上拍摄的火山灰云（图片来源：Alejandro S. Méndez）
1月15日星期六，汤加人米尔·陶法（Mere Taufa）一家正在准备晚饭，突然就听到巨响。陶法的弟弟还以为是有炸弹在附近爆炸。但事实上，那是汤加的一座海底火山，发生了极其猛烈的喷发。
撰文 | 栗子、二七
海底火山喷发释放的火山灰和蒸汽，与空气夹杂在一起，形成巨大的羽流，冲上了大约3万米高空，而民航飞机飞行高度通常也只有1万米左右。这股厚重的羽流遮天蔽日，令南太平洋诸岛笼罩在火山灰的阴霾之下。
于是，空气质量受到严重影响，汤加当局已经在提醒民众带好口罩，保护肺部。同时遭受污染的还有水源，淡水成了人们迫切需求的资源。但对陶法一家人来说，更要命的是火山喷发导致的海啸袭击了他们所在的地区，海水很快灌进房子，所有人都拼命往地势高的地方逃。
海啸袭击了汤加（图片来源：Journalist Siraj Noorani）
灾难发生几小时后，灾区与外界的大部分联系方式都被切断。原本汤加境内的电话和网络服务，几乎全靠海底电缆来支撑，而海底火山喷发破坏了电缆。用来替代电缆的卫星通信，又因为火山灰的存在而受到阻碍。一时间，各地的伤亡情况难以知晓。
那么，这次火山喷发到底有多大的威力，又为什么会产生这样猛烈的喷发？
爆炸声传到数千千米外
此次喷发的海底火山，全名叫 洪阿汤加-洪阿哈帕伊 （Hunga Tonga-Hunga Haʻapai，下文简称“汤加火山”），是一座距离汤加本岛仅有40千米的火山岛。如果你觉得这个名字很绕，其实 洪阿汤加 和 洪阿哈帕伊 本为两座小岛，是一次火山喷发，让它们合为一体。
而新一轮的喷发，则是从2021年12月20日开始，那时的爆炸声从 170千米 外也听得到。此后，喷发断断续续，直到今年1月5日，火山活动终于停歇下来。但没过几天，1月13日这座火山又把火山灰送上17000米高空，汤加政府还因此发布了海啸预警。 而紧随其后的，便是1月15日那场罕见的猛烈喷发。
火山灰云（图片来源：NOAA）
这一次，爆炸声不光震慑到了身处汤加的陶法一家，还在火山喷发的7小时后，被 数千千米之外 的阿拉斯加居民听到，传播时速约有830千米。与此威力相比，先前那些大大小小的喷发，都显得不足挂齿。
那么，巨大的爆炸声从何而来？
这是一座海底火山，如果岩浆是从地底缓缓进入海水，岩浆和水之间会形成一层薄薄的蒸汽膜。就算1200℃高温的岩浆遇上冰冷的海水，那层薄膜也会让岩浆冷却下来。但是，如果岩浆从充满火山气体的地下喷薄而出，迅速进入海水当中，任何蒸汽膜都会破裂，让高温岩浆直接接触到冰冷的海水。在科学家看来这便是 燃料-冷却剂相互作用 ，就像武器级的爆炸那样。
当爆炸把岩浆撕裂成碎片，然后新的高温表面又和冷水接触，继续发生爆炸……周而复始，便可能产生非常剧烈的爆炸。诺贝尔奖物理学奖得主、澳大利亚国立大学的布莱恩·施密特教授相信，此次火山喷发中的爆炸，威力相当于1000颗广岛原子弹。
在火山学者眼中，这是汤加火山 千年一遇 的猛烈喷发。卫星成像结果显示出巨大的火山灰云，也显示了从火山口附近迅速扩散的 冲击波 （shockwave）。在汤加，有许多房屋的玻璃被冲击波震碎，而在火山喷发引起的 越洋海啸 中，冲击波也发挥着作用。
图片来源：Mathew_Barlow via Reddit
目前已有许多国家发布海啸预警。比如，离我国不远的日本奄美市，在15日晚监测到1.2米的水位升幅，日本便针对奄美群岛等地区发布了海啸预警。我国香港曾在15日晚已经监测到气压急升，但尚未发现明显的水位上涨。
当然，首当其冲的还是汤加，特别是火山岛附近的区域，也就是哈帕伊群岛中的其他岛屿，至少有6000居民生活在那里。由于汤加国内的通讯系统受到严重破坏，目前正在修复当中，想要得知各地的受灾情况，可能还需要一段时间。
喷发的“破火山口”
汤加火山位于太平洋板块与印度-澳大利亚板块俯冲边界上，是汤加-克马德克群岛火山弧的一部分。在过去的几十年里，汤加火山其实已经发生过很多次喷发事件。2014年12月下旬，汤加火山的一次小规模喷发，将大量的蒸汽和火山灰喷向空中。这场喷发持续了大约5个星期，喷发结束时， 洪阿汤加和洪阿哈帕伊两个小岛被沉积物连成了一座岛 ，岛中央能看到一个明显的火山锥。
然而这并不是真正的火山口，汤加火山真正的火山口（破火山口，caldera）隐藏在海面之下，直径约20千米。我们印象中那种典型的锥状火山口往往来自成层火山（stratovolcano，又称复合式火山），熔岩流和火山碎屑物相互成层，逐渐积累成我们熟悉的圆锥状。然而相比之下， 破火山口看起来像一个广口盘子一样。
汤加火山的破火山口隐藏在海面之下（图片来源：S. J. Cronin, M. Brenna, I. E. M. Smith, S. J. Barker, M. Tost, M. Ford, S. Tonga’onevai, T. Kula and R. Vaiomounga，2017）
破火山口火山与成层火山和盾状火山的差别不仅在于外观，还在于喷发规模。破火山口火山往往是在地下的岩浆房积累到足够规模后，大量岩浆一次性喷涌而出。这时，已经清空或半空的岩浆房无力支撑上方的岩石，地表就会向下塌陷，形成一个巨大的“碗”。也正因如此， 破火山口火山喷发的规模往往比成层火山更大。
这样的特点似乎使汤加火山注定会迎来一次大规模的喷发。正在英国剑桥大学进行岩石学和火山学方面博士后工作的李蔚然表示：“这种火山倾向于会有剧烈的喷发……因为它地下岩浆房的体积通常比较大，还有一个很长的喷发周期……（近年来） 汤加火山之前的喷发都比较小，它可能一直在积累，在酝酿能量，直到产生这次大的喷发。 ”
2017年，新西兰奥克兰大学的沙恩·克罗宁（Shane Cronin）和同事深入研究了两座小岛上的火山沉积物，并且与65千米外的塔布岛上的火山灰沉积物对比。他们发现汤加火山在历史上曾发生过至少两次大规模喷发。放射性碳测年显示，大约每1000年，汤加火山都会发生一次大规模喷发，最近一次是在1100年。此后，陆续发生过一些小规模的喷发，但主要发生在火山口的边缘。直到一千多年后汤加火山再次“做好准备”“如约而至”。
“无夏之年”会出现吗？
目前，汤加火山本次喷发活动还在继续，因此在现阶段，我们也很难得出汤加火山本次喷发规模的结论。火山喷发的规模经常会用火山爆发指数（Volcanic Explosivity Index，VEI）来表示，这个指数是由火山喷出物质的总量、火山气体的喷发高度和火山喷发的持续时间综合判定的。因此，在本次喷发活动结束前，都还无法判断本次喷发的VEI等级。“ 因为这个指数基本是需要喷发基本结束后才能判断 ，就很难说VEI到几级了。有的火山看起来很凶，或者造成很大的灾害，但喷出体积不大，因此VEI 也不高。VEI要看喷出的体积多少，所以反而算不上特别高的VEI。”李蔚然说。
本次汤加火山喷发，还让 “无夏之年” 这个词进入了大众的视野。1815年4月，印度尼西亚的坦博拉火山突然爆发，规模达到了VEI 7级。记录显示，当时喷出的火山灰柱高度达45千米，受影响最重的欧洲大部分地区气温降低了2-4℃，使随后的1816年成为了著名的“无夏之年”（the year without a summer）。全球各地区的农作物纷纷歉收，同时导致了大规模的饥荒。
这种规模的影响主要来自火山气体中的二氧化硫（SO₂）。当大量SO₂进入平流层（海拔约10-20千米以上），SO₂会反应形成硫酸气溶胶，它可以在平流层存在较长时间，并能反射阳光，从而使地表变冷。
图片来源：美国密歇根理工大学火山学教授西蒙·卡恩（Simon Carn）在社交媒体的推文
近年另一次对全球气候造成大规模影响的火山喷发发生在1991年，菲律宾的皮纳图博火山喷发导致全球平均气温下降了约0.5℃。记录显示，该次喷发释放了约 2000万吨 SO₂。相比之下，根据NASA的卫星监测数据，虽然本次汤加火山喷发的气体已经达到了近30千米的高度， 但目前释放出的二氧化硫仅有约40万吨，与1991年的水平还有些距离。以现在的水平来看，对全球气温的影响可能不明显。
参考链接：https://eos.org/science-updates/new-volcanic-island-unveils-explosive-past
https://so2.gsfc.nasa.gov/pdfs/Bluth_Pinatubo1991_GRL91GL02792.pdf
https://so2.gsfc.nasa.gov/pix/daily/0122/tonga_0122z.html
https://www.washingtonpost.com/world/2022/01/15/tonga-tsunami-new-zealand-volcano-eruption/
https://theconversation.com/why-the-volcanic-eruption-in-tonga-was-so-violent-and-what-to-expect-next-175035
https://www.bbc.com/news/world-asia-60007119
https://www.nationalgeographic.com/science/article/the-science-behind-the-tonga-eruption-and-tsunami
