近期南太平洋湯加海域火山爆發(fā)，盡管這是本世紀(jì)迄今為止最大的火山爆發(fā)，然而與引起1816年“無(wú)夏之年”的坦博拉火山爆發(fā)相比，量級(jí)依然差距巨大，如果后期沒有更強(qiáng)的爆發(fā)，此次火山爆發(fā)對(duì)全球氣候的影響非常有限，不可能引起“無(wú)夏之年”。

一、湯加火山爆發(fā)

2022年1月15日12時(shí)20分左右(北京時(shí)間)，南太平洋島國(guó)湯加海域(20.536°S， 175.382°W)發(fā)生大規(guī)模火山爆發(fā)，衛(wèi)星探測(cè)結(jié)果表明，火山灰最高沖至約28千米高空，衛(wèi)星云圖上甚至可見爆發(fā)而上的蘑菇云。一時(shí)之間，全球媒體紛紛報(bào)道，國(guó)內(nèi)某些營(yíng)銷號(hào)也迅速跟進(jìn)發(fā)出2022年將是“無(wú)夏之年”的文章，這次火山真的會(huì)引起這么強(qiáng)的氣候效應(yīng)么？

此次火山確實(shí)在全球引起巨大的影響，在海洋和大氣引起較強(qiáng)的沖擊波，環(huán)太平洋地區(qū)均發(fā)布了海嘯預(yù)警，新西蘭、澳大利亞和萬(wàn)里之遙的日本、美國(guó)西海岸等地都觀測(cè)到了明顯的漲潮，萬(wàn)里之遙的我國(guó)、美國(guó)西部和南美洲等地都觀測(cè)到了氣壓的小幅波動(dòng)。

湯加火山爆發(fā)后的大氣波動(dòng)，GOES-17衛(wèi)星紅外輻射圖，圖片來(lái)自于Mathew Barlow

湯加火山爆發(fā)后的大氣波動(dòng)， EUMETSAT衛(wèi)星紅外輻射圖，圖片來(lái)自于Mathew Barlow

受影響最嚴(yán)重的主要是火山爆發(fā)當(dāng)?shù)兀鹕奖l(fā)引起的火積云直沖云霄，摩擦引起強(qiáng)烈的閃電，海嘯襲擊湯加、斐濟(jì)、瓦努阿圖等地，湯加海底電纜斷裂，和外界的所有聯(lián)系中斷，整個(gè)國(guó)家在互聯(lián)網(wǎng)世界中消失。巨大爆炸的聲音甚至傳到800公里外的斐濟(jì)和2000公里外的新西蘭北島。

此次是一座海底火山爆發(fā)，位于活躍的湯加-克馬德克群島火山弧上，過去100年，此處經(jīng)歷過多次海底火山爆發(fā)，火山噴發(fā)使得島嶼高度多次變化，2014年上一次火山噴發(fā)形成一個(gè)新島，此次噴發(fā)之后，新島從海面上消失。

二、火山爆發(fā)如何影響氣候？

火山大爆發(fā)對(duì)當(dāng)?shù)乜稍斐蓺缧杂绊懀绻?9年，意大利南部那不勒斯灣東海岸維蘇威火山大爆發(fā)，火山灰和火山礫瞬間淹沒了繁華的龐貝城和斯塔比伊城。

火山大爆發(fā)還對(duì)地球氣候有重要影響，大的火山爆發(fā)甚至能影響氣候的走向。例如距今約7.5萬(wàn)年(~75000±900)以前，印尼蘇門答臘島的托巴(Toba)超級(jí)火山爆發(fā)，這次火山爆發(fā)達(dá)到了超大規(guī)模的8級(jí)(火山爆發(fā)指數(shù))，據(jù)估計(jì)噴發(fā)出了2800立方千米的物質(zhì)。地質(zhì)資料分析，火山灰的沉積范圍向西一直到印度次大陸和阿拉伯海，向東北方向直到~1500-1800公里的中國(guó)南海。

科學(xué)家估計(jì)Toba火山爆發(fā)后形成了全球長(zhǎng)達(dá)6-10年的火山冬天，期間全球平均溫度降低超過5度，在中高緯度降溫甚至超過10度，火山專家美國(guó)羅格斯大學(xué)新伯朗士威分校Alan Robock教授的數(shù)值模擬研究表明，最大的全球降溫可能達(dá)到15度。在格陵蘭島的冰芯資料里發(fā)現(xiàn)了此次火山的沉降物，隨之有長(zhǎng)達(dá)千年的低溫期(δ18O含量偏低)，有研究(Ambrose， 1998； Rampino， 2002)認(rèn)為此次超強(qiáng)火山爆發(fā)甚至改變了地球上各種生命的進(jìn)程，甚至使得北半球四分之三的植物死亡，當(dāng)時(shí)地球人類數(shù)量可能降低到了有史以來(lái)最低值(全球人口數(shù)降低到1萬(wàn)-3萬(wàn))，人類演化差點(diǎn)被推到了滅絕的邊緣。盡管關(guān)于此次火山對(duì)人類數(shù)目的影響依然還有爭(zhēng)議，但是各研究都承認(rèn)此次超強(qiáng)火山確實(shí)對(duì)氣候造成了嚴(yán)重的影響。

火山影響氣候并不是通過火山灰，因?yàn)榛鹕交沂潜容^大的顆粒，很快就會(huì)通過干和濕過程沉降，主要是通過火山噴發(fā)的二氧化硫，火山噴發(fā)的二氧化硫氣體直達(dá)平流層，在較短時(shí)間(一兩個(gè)月)即會(huì)形成硫酸氣溶膠，隨著平流層環(huán)流輸送到全球各處，由于平流層環(huán)流穩(wěn)定，所以硫酸會(huì)持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間(一年以上)，通過阻擋太陽(yáng)輻射，引起近地面溫度降低。

強(qiáng)的火山活動(dòng)一般會(huì)有較為長(zhǎng)期的影響，主要是通過進(jìn)一步影響高緯度地區(qū)的冰雪面積，從而觸發(fā)冰雪反照率-輻射的正反饋機(jī)制，或者通過影響植被狀況，引起光合作用量的變化，從而形成更強(qiáng)和更長(zhǎng)期的影響。

火山噴發(fā)形成的平流層硫酸鹽氣溶膠的輻射效應(yīng)(圖片來(lái)源：COMET計(jì)劃)

三、歷史上真正的無(wú)夏之年

歷史上的“無(wú)夏之年”特指1816年，當(dāng)年全球溫度異常偏低，歐美稱其為 “無(wú)夏之年(the year without summer)”，歷史記載：

6月6日，在紐約Albany和Dennysville，依然有降雪。

7月和8月，賓夕法尼亞州西北地區(qū)湖里和河里依然有冰塊。

8月20和21日，向南到弗吉尼亞地區(qū)秋天的霜凍已經(jīng)到來(lái)。

在紐約郊區(qū)的震教徒(shakers)教區(qū)，一個(gè)叫做Nicholas Bennet的人記載那年5月份，山上光禿禿的和冬天一樣，五月份每天溫度還會(huì)降到冰點(diǎn)以下。6月9日地面還是凍結(jié)狀態(tài)，6月12日，震教徒們不得不重新種植被霜凍的植物，7月7日依然很冷，所有作物都停止生長(zhǎng)，8月23日，重新出現(xiàn)霜凍。

歐洲也差不多，寒冷使得當(dāng)年作物收成基本無(wú)望，從英國(guó)、愛爾蘭、威爾士到德國(guó)，四處都是受災(zāi)的難民和乞丐，食品價(jià)格飆漲，1815年一蒲式耳燕麥價(jià)格折合現(xiàn)在約為1.55美元，到1816年飆升到12.85美元。示威、騷亂、縱火和打劫猖獗，當(dāng)年成為19世紀(jì)歐洲最差的荒年。這一災(zāi)難的肇事者是1815年?yáng)|南亞的坦博拉(Tambora)火山爆發(fā)，火山在東南亞造成71000多人死亡，其中11000-12000人是直接因?yàn)榛鹕奖l(fā)造成的，其余人則是死于饑荒和疾病。而萬(wàn)里之遙的歐洲，饑荒造成超過20萬(wàn)死亡。

估算的1816年歐洲溫度異常，比氣候平均態(tài)低3度以上。

坦博拉火山位于印度尼西亞松巴哇島上，1815年4月5日-15日爆發(fā)達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的VEI 7級(jí)(火山爆發(fā)指數(shù))，據(jù)記載這次火山爆發(fā)前坦博拉火山高度為4100米，火山爆發(fā)之后只剩下2850米，形成直徑達(dá)6000多米，深700米的巨大火山口，這次火山灰柱高度達(dá)到45公里(到平流層高層)，大氣中火山灰隨風(fēng)飄，150公里之外火山灰有1米厚，300公里之外有25厘米，到了1000公里之外還有5厘米的火山灰，火山灰完全遮蔽了天空，記載一周之后距火山幾百千米以外的瓜哇島，依然天空黑得幾乎伸手不見五指。

火山爆發(fā)的影響可達(dá)萬(wàn)里之外，人們不僅可以感受得到溫度的變化，而且可以肉眼可見。當(dāng)火山的硫酸鹽氣溶膠籠罩整個(gè)平流層的時(shí)候，天空的朝霞和晚霞異常漂亮，這被稱作dry fog。因?yàn)榛鹕綒馊苣z在平流層，因此不受對(duì)流層天氣的影響。英國(guó)著名風(fēng)景畫家透納(Joseph Mallord William Turner)畫下了他眼中的天空，他的畫充滿著靈動(dòng)，他說(shuō)自己的畫作只是真實(shí)的記錄下景色的樣子，“I did not paint it to be understood， but I wished to show what such a scene was like”

以下兩幅畫一幅是有火山氣溶膠影響的(上圖)，天空是橙色和紅色的，另一幅是沒有火山的正常晚霞(下圖)，藍(lán)色的天空終于露出了笑臉，喜歡看晚霞的人在1816年看了整整一年的紅色天空，他們一定會(huì)萬(wàn)分想念藍(lán)色。

畫作The Chichester Canal (1928)，反映了火山氣溶膠影響下的天空。

畫作The Harbor of Dieppe (1826)，正常的晚霞

四、讓火山噴一會(huì)

火山能否對(duì)全球氣候造成影響與火山爆發(fā)持續(xù)時(shí)間、造成經(jīng)濟(jì)和人員損失、聲響大小等并不直接關(guān)聯(lián)，主要和火山爆發(fā)進(jìn)入平流層的硫酸鹽量有關(guān)。在20世紀(jì)最主要的幾次火山爆發(fā)中，1963年的阿貢火山爆發(fā)約800萬(wàn)噸二氧化硫進(jìn)入平流層，1982年爆發(fā)的埃爾奇瓊火山噴發(fā)了約700萬(wàn)噸二氧化硫進(jìn)入平流層，而1991年的Pinatubo火山爆發(fā)，有大約2000萬(wàn)噸二氧化硫進(jìn)入平流層，這三次火山爆發(fā)都在全球溫度序列里留下了印記，降溫幅度分別為約-0.2°C、約-0.2°C和約-0.5°C，持續(xù)時(shí)間為1-2年。

目前評(píng)估火山爆發(fā)強(qiáng)度一般用火山爆發(fā)指數(shù)(VEI)來(lái)衡量，數(shù)值越大，火山爆發(fā)越強(qiáng)。火山爆發(fā)指數(shù)(VEI)是基于噴發(fā)物總質(zhì)量與噴發(fā)柱高度來(lái)判斷，總體上和火山爆發(fā)能量一致。VEI數(shù)值每增大1，其噴發(fā)的體積增大10倍。由于火山爆發(fā)指數(shù)(VEI)并不是根據(jù)進(jìn)入平流層的硫酸鹽量來(lái)判斷，因此并不能完全反映其氣候影響，盡管一般來(lái)說(shuō)VEI數(shù)值越大，噴發(fā)進(jìn)入平流層的二氧化硫越多，但是根據(jù)火山爆發(fā)方式、噴出物質(zhì)、火山爆發(fā)位置、火山爆發(fā)時(shí)天氣情況的不同，能進(jìn)入到平流層的二氧化硫經(jīng)常有巨大的差別。例如1980年5月18日美國(guó)圣海倫火山爆發(fā)，火山爆發(fā)的轟鳴聲幾乎響徹美國(guó)1/3國(guó)土面積，這是一次VEI 5級(jí)強(qiáng)度的火山爆發(fā)，造成57人死亡，然而這次火山爆發(fā)進(jìn)入平流層的二氧化硫量?jī)H為約100萬(wàn)噸左右，其對(duì)全球氣溫的影響微不足道，在全球平均的溫度序列里根本檢測(cè)不出，而同是VEI 5級(jí)火山的埃爾奇瓊火山則噴發(fā)了約700萬(wàn)噸二氧化硫進(jìn)入平流層，導(dǎo)致全球溫度降低約0.2°C。因此，以筆者判斷，火山爆發(fā)要對(duì)全球平均氣溫造成可觀測(cè)和識(shí)別的影響，其噴發(fā)進(jìn)入平流層的二氧化硫量至少需要達(dá)到200萬(wàn)噸以上。

火山爆發(fā)一般會(huì)持續(xù)比較長(zhǎng)的時(shí)間，例如1991年P(guān)inatubo火山從當(dāng)年3月開始活躍起來(lái)，到當(dāng)年6月15日產(chǎn)生最強(qiáng)的爆發(fā)，后續(xù)一直持續(xù)到1992年7月才慢慢平靜下來(lái)。本次湯加的火山活動(dòng)從2021年12月底開始，目前還處于活躍狀態(tài)，因此后續(xù)是否還會(huì)有更大規(guī)模的爆發(fā)，還需要進(jìn)一步監(jiān)測(cè)。

從最新衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，此次湯加附近海域的海底火山爆發(fā)火山灰最高達(dá)到約28km，這已經(jīng)到了平流層的中下層，因此評(píng)級(jí)為5級(jí)左右比較合適，之前對(duì)進(jìn)入平流層的二氧化硫的估算量為約5萬(wàn)噸，而根據(jù)Sentinel5P/TROPOMI的對(duì)進(jìn)入平流層的二氧化硫的估算，大概有40萬(wàn)噸二氧化硫進(jìn)入平流層，總體而言，這一數(shù)值距離可以對(duì)全球氣候有所影響，還有非常大的差距，因此，如果這個(gè)火山后期沒有更大規(guī)模的噴發(fā)，我們可以判斷，此次火山活動(dòng)暫無(wú)可能影響全球溫度。

值得注意的是，大規(guī)模火山爆發(fā)的氣候影響不僅僅局限于全球溫度，也會(huì)對(duì)熱帶海溫分布(ENSO)狀態(tài)有所影響，還可能通過遙相關(guān)產(chǎn)生其他的環(huán)流影響，這還需要進(jìn)一步深入的評(píng)估。

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（文章來(lái)源：中科院之聲）