劉銘

(清華大學(xué)附屬中學(xué)永豐學(xué)校)

2022年1月14日,位于南太平洋湯加王國的火山開始噴發(fā),15日噴發(fā)猛烈.如圖1所示,該火山名為洪加湯加火山,位于湯加王國首都努庫阿洛伐以北65千米處的無人島.此次爆發(fā)削平火山所處的山頭,并造成了較大海嘯,威力驚人.那么,此次湯加火山爆發(fā)釋放的能量到底有多大呢?

圖1 湯加火山爆發(fā)衛(wèi)星圖

通常情況下,火山噴發(fā)的威力是通過火山爆發(fā)指數(shù)來衡量的.火山爆發(fā)指數(shù)(Volcanic Explosivity Index,簡(jiǎn)稱VEI)是1982年由火山學(xué)家提出的以噴出物體積與噴發(fā)柱高度來衡量火山爆發(fā)強(qiáng)烈程度的量表.正如地震的震級(jí)一樣,火山爆發(fā)指數(shù)的數(shù)值越高,火山釋放的能量就越大.在理想情況下,火山灰的產(chǎn)生量、火山口上方噴發(fā)柱的高度和火山爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間都在火山爆發(fā)指數(shù)的考慮范圍內(nèi).

如圖2所示,爆炸性噴發(fā)的火山VEI從1到8,每增加1個(gè)單位,其釋放的能量就增加1個(gè)量級(jí),噴發(fā)周期也相應(yīng)延長,非爆炸性噴發(fā)的火山VEI為0.這次湯加火山噴發(fā)可能被定級(jí)為VEI-5到VEI-6級(jí)之間,VEI-5所釋放的能量相當(dāng)于8.7級(jí)地震所釋放的能量(汶川地震是8級(jí)),而VEI-6級(jí)所釋放的能量相當(dāng)于9.3級(jí)地震所釋放的能量.地震等級(jí)與釋放能量之間的關(guān)系式為E＝104＋1.5M(E為釋放的能量,單位是J,M為地震震級(jí)),如果估測(cè)火山噴發(fā)相當(dāng)于地震等級(jí)的9 級(jí),那么產(chǎn)生的能量E＝1017.5J＝3×1017J＝3×1011MJ.這一能量有多大呢?

圖2 火山爆發(fā)指數(shù)

我們可以用TNT 當(dāng)量來表示,它通常用來描述核彈(或非核彈)爆炸釋放的能量,相當(dāng)于一定質(zhì)量的TNT炸藥爆炸釋放的能量,1 kgTNT 炸藥爆炸時(shí)釋放的能量約為4MJ,而湯加火山噴發(fā)產(chǎn)生的能量約為3×1011MJ,經(jīng)計(jì)算可知,湯加火山噴發(fā)產(chǎn)生的能量相當(dāng)于7500萬噸TNT 當(dāng)量.

這么說可能還不夠具體.我們知道,原子彈作為一種核武器,威力巨大,破壞力強(qiáng),如果把此次火山噴發(fā)產(chǎn)生的能量和原子彈爆炸比較,相當(dāng)于多少顆原子彈爆炸呢?

以1945年美國投擲在日本廣島的“小男孩”原子彈為例,它的TNT 當(dāng)量是1.5萬噸,而湯加火山爆發(fā)的能量大約相當(dāng)于5000顆廣島原子彈的當(dāng)量.萬幸的是,湯加是一個(gè)島國,火山所在的島是個(gè)無人島,因此火山噴發(fā)破壞力雖然很強(qiáng),但是對(duì)湯加其他島嶼沒有產(chǎn)生毀滅性影響.

在這次火山噴發(fā)過程中,衛(wèi)星還監(jiān)測(cè)到了高達(dá)14萬次閃電活動(dòng),稱為“火山閃電”.2010年冰島埃亞菲亞德拉火山噴發(fā)也伴隨閃電,如圖3所示;2011年日本霧島山新燃岳火山噴發(fā)同樣伴隨閃電,如圖4所示.要了解火山閃電,需要清楚閃電的孕育過程.簡(jiǎn)單來說,我們需要將大氣中的顆粒帶電,讓它們帶上正負(fù)不同的電荷并彼此分離,當(dāng)正負(fù)兩極電荷持續(xù)積累并分離到不同區(qū)域,達(dá)到某一極限時(shí),就能放電擊穿中間的空氣.所以,閃電的形成,首先要有正、負(fù)離子.

圖3

圖4

原子呈電中性,電子的數(shù)量和原子核中質(zhì)子的數(shù)量一樣,但是熱量和摩擦力可以使原子很容易獲得或失去電子,變成帶電粒子.由于火山噴發(fā)的溫度很高,釋放的能量很容易讓原子發(fā)生電離,原子要么得到電子,帶負(fù)電,要么失去電子,帶正電.

帶電粒子是如何分離到不同區(qū)域的呢?

我們知道,中性原子的物理尺寸各不相同,帶電原子和分子的物理尺寸差異更大,不同的原子和分子之間也存在著顯著的質(zhì)量差異.這樣,給較輕的粒子提供同樣的能量可使其運(yùn)動(dòng)速度更快;在溫度梯度的影響下,剛出來的粒子的溫度比已經(jīng)在大氣中存在一段時(shí)間的粒子的溫度要高,不同的溫度和質(zhì)量的組合使得這些離子的速度不同.在一個(gè)動(dòng)蕩的噴發(fā)環(huán)境中,更小更輕的粒子通常更容易被運(yùn)送到更遠(yuǎn)更高的地方,這使得電荷更容易被遠(yuǎn)距離分離.

當(dāng)電荷積累足夠多、粒子團(tuán)之間電勢(shì)差足夠大時(shí),就會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象,這就是火山閃電作用的一般過程.

據(jù)統(tǒng)計(jì),自1980年以來全球活動(dòng)火山已使29000人喪生,100多萬人流離失所,造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)十億美元.濃厚的火山灰,可導(dǎo)致農(nóng)作物歉收,即使極少量的火山灰,也可能嚴(yán)重影響航空安全,甚至影響全球氣候.火山爆發(fā)可能引發(fā)海嘯、火山泥石流、火山崩塌、地震、酸雨等次生災(zāi)害,給人類和環(huán)境帶來巨大影響.所以聯(lián)合國在制訂國際減災(zāi)十年計(jì)劃時(shí),把火山災(zāi)害列為十大自然災(zāi)害之一.我們要努力創(chuàng)造研發(fā)更新的技術(shù),用于監(jiān)測(cè)自然災(zāi)害,做到提前預(yù)防,把危害降到最低.

(完)