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火山竟然会吐“烟圈”!这技术真够溜!
查字典地理网 来源|2019-08-13 发表|教学分类:地理科普

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瓦努阿图的伊苏尔火山口上方升起一个烟圈,这是新西兰奥克兰大学的研究人员在山顶上放置的红外摄像机拍摄的。类似的烟圈曾出现于世界各地的火山上,但其形成原因一直是个谜。

从雷鸣般的火山碎屑流到灼热的熔岩河,火山一直以猛烈的烟火闻名。然而,在火山安静的时刻,有时也同样令人敬畏,比如即将爆发的火山向天空中吹出一个慵懒的烟圈。

这种短暂的幻影曾在世界各地的多个火山上出现过,但目前科学家还不清楚其形成原因。虽然这些烟圈的直径可达上百米,但其持续时间很短,而且难以预测,因此很难研究。这就是由Fabio Pulvirenti领导的科学家们决定对其开展研究并在计算机上进行模拟的原因,Fabio Pulvirenti是NASA喷气推进实验室的高级研究员。

在这个由红外图像制作的动画中,伊苏尔火山的一个火山口喷发出数个烟圈。

本月早些时候,在新加坡举行的亚洲大洋洲地球科学学会年会上,该研究团队用虚拟火山做演示,表明“吸烟者嘴里发生的情况与火山内部发生的现象基本上类似”,研究报告的合作者、意大利卡塔尼亚大学的火山学家Carmelo Ferlito说道。

烟雾和镜子

尽管名为烟圈,实际上它们并非由烟组成,意大利国家地球物理和火山学研究所的火山学家Boris Behncke说,他没有参与这项研究。实际上,这些“烟圈”主要由从岩浆中逸出和火山口喷出的冷凝气体构成,其主要成分是水蒸气。

强风可阻止烟圈形成或持续太长时间。否则,大量火山蒸汽形成的“烟圈”会飘向天空并膨胀——火山蒸汽比周围的空气温度更高、密度更小。最终,当“烟圈”散发出大部分蒸汽后,就会从视线中消失。

不过,似乎只有一些火山能形成烟圈,而且只在特定的时间出现。早在Pulvirenti 于2013年第一次得知“烟圈”时,他发现科学文献并未给予实质性的回答。因此,当好奇心强烈到让他难以忍受时,他招募了一些同事,试图共同解开这个谜团。

研究小组仔细阅读了大量有关火山烟圈的文献,调查其上升的高度、移动及冷却的速度、构成成分的差异以及含有灰尘的频率。科学家们还进一步研究了岩浆气体如何穿越和逸出火山通道,深入研究了实验室中的液体漩涡形成的复杂物理过程。

一系列红外图像展示了伊苏尔火山上方一个烟圈形成和消散的过程。

尽管火山烟圈直径可达上百米,但其持续时间很短,而且难以预测,因此很难进行研究。

之后他们把所有的发现都输入电脑模型。通过调整火山通道内的积聚的压力数据,以及虚拟火山火山口的几何形状,研究小组计算出了形成烟圈所需的条件。

当岩浆通过火山通道向上喷涌时,周围的压力会下降,溶解的气体便以气泡的形式出现。如果岩浆不太粘稠,气泡就会融合成单一的加压气泡。当它们接近火山口时,这些气泡会急剧减压并爆炸,推动热蒸汽向上运动,有时速度接近超音速。

这时候,火山就像简单的烟雾炮玩具一样,后者通过一个狭窄的圆形开口喷出烟雾。在两种情况下,都需要收集大量的蒸汽,然后迅速排出,形成一个圆环。

在模拟的火山中,从火山口喷出的蒸汽与岩石表面相互作用,导致气体球沿着岩石边缘运动。Pulvirenti说,慢动作视频表明,烟雾炮玩具也发生了同样的过程。之后,当上升的蒸汽环遇到寒冷的大气时,会变冷,减速,冷凝,变得肉眼可见,有点类似飞机的航迹云。

要形成火山环,最重要的是火山口必须比较接近圆形,而且火山口的周围高度必须相同。如果火山口的形状太不规则,“烟圈”可能会严重扭曲、不稳定,或者压根儿不会形成。

“魔戒使者”

Benjamin Simons是奥克兰大学火山学博士,曾在数座活火山上看到烟圈现象,其中包括瓦努阿图的伊苏尔火山。他看到的大部分“烟圈”都出现于“天窗”,也就是火山口上方近似圆形的天然开口,下面就是“美丽的岩浆”。

当少量火山气体通过这些狭窄的开口时,就会出现“烟圈”。这些“烟圈”缓慢地上升,几乎没有力量在消失之前离开山顶火山口,他说。新计算机模型的计算结果与Simons的观测结果相吻合。火山口的开口越圆,“就越有可能产生烟圈,”他说。

虽然新研究尚未通过同行评审,但它似乎解释了不是所有火山都会出现烟圈的原因,因为烟圈的形成需要苛刻的条件。

然而,即使满足了这些条件,烟圈也并不总是出现,这表明火山内部的复杂程度远远超过我们目前的了解。幸运的是,研究小组仍在努力寻找更多的答案。

新研究不仅仅是为了满足好奇心。火山烟圈的形成路径与岩浆在火山爆发过程中流向地表的路径相同,因此研究该问题可能有助于地质学家更好地认识火山内部的情况。

Ferlito说,尽管新研究可能并没有解决火山学中最紧迫的问题,但尝试解决一个既有趣又美丽的谜团仍是一件惬意的事情。

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