火山一“怒吼”，地球“抖三抖”丨大气悟理

编者按：看寒来暑往云卷云舒，思古往今来气候变迁，中科院之声与中国科学院大气物理研究所联合开设“大气悟理”，为大家介绍大气里发生的有趣故事，介绍一些与天气、气候和环境相关的知识。

2022年1月15日，位于南太平洋岛国汤加的洪阿哈阿帕伊岛火山（Hunga Tonga-Hunga Ha'apai）爆发了，我国的风云四号卫星将这一过程尽收眼底。

汤加洪阿哈阿帕伊岛火山风云四号卫星监测图（图片来源：公众号风云卫星）

此次的火山爆发直接喷出了一个小岛，现有的模式中陆地-海洋地形估计要有所更新了，气候学家们由此需要对模式进行相应的修改，以更好研究火山与气候的关系。

那么，科学家们是从什么时候注意到火山可以改变气候的呢？

火山喷发（图片来源：piqsels.com）

历史上五次大火山喷发

其实我们的科学家们在很早之前就开始了探索，他们更多地还是从历史上的大型火山喷发导致的气候响应作为研究的重点。那么在历史上又有哪些威力巨大的火山呢？

我们先来看看一座名叫坦博拉（Tambora）的火山。

它位于今印度尼西亚，已经沉睡了五千年的它于1815年猛烈爆发，高度从原来的4100米瞬间降为2850米，足足削减了近三分之一。它的爆发造成了1816年世界范围内的寒冷，这一年在欧洲历史上被称为“无夏之年”。从纽约到欧洲再到中国，刺骨的寒风几乎席卷了整个北半球，农作物颗粒无收，民众饥寒交迫，犹如“世界末日”的来临。

坦博拉火山口（图片来源：earth.com）

而坦博拉火山仅是历史上几次著名的大火山喷发其中的一个，其他的分别是1258年印尼的萨马拉斯（Samalas）火山、1883年印尼的喀拉喀托（Krakatau）火山、1963年印尼的阿贡（Agung）火山和1991年菲律宾的皮纳图博（Pinatubo）火山。这几个火山的喷发直接导致了接下来2~5年的全球大降温，甚至触发了小冰期。

历史上著名的五次大火山喷发（图片来源：大气科学进展AAS公众号截图）

火山的分布地带

其实火山遍布在世界各处，学术界依据板块构造理论普遍认为火山主要分布在板块边界处，主要集中在环太平洋火山带、洋脊火山带、地中海-印度尼西亚火山带、红海沿岸与东非火山带这四个地带。

世界火山和地震带分布（图片来源：mafengwo.com）

从近处来看，大家关注的焦点都是集中于火山爆发引起的地震、海啸、火灾等等。那么，从远处来看火山爆发会带来哪些气候响应呢？

火山爆发引起的气候响应

前不久，一项发表于国际学术期刊《通讯-地球与环境》（Communications Earth & Environment）上的一项研究成果，指出火山爆发引起的气候变化可能是导致中国王朝覆灭的最终且直接原因。

远在千里之外的低纬度火山又是如何“暗中”对朝代的灭亡产生影响呢？它们之间是如何实现“梦幻联动”呢？

• 温度响应

其中的缘由可以用“阳伞效应”来解释，强烈的火山喷发把大量的气体和火山灰抛入空中进入平流层。地球大气按照温度随高度分布的特点从低到高可以分为如下几层：对流层、平流层、中间层、热层和散逸层，其中平流层位于对流层之上，它最大的特点就是受力稳定，以平流运动为主，也就是飞机飞行的位置所在。

平流层的这一特点使得由硫酸微滴组成的气溶胶可以在平流层中长时间存在。火山爆发喷出的气溶胶其实是个“两面派”，它一方面会散射入射的太阳辐射，另一方面也会吸收来自地面和大气的红外辐射。但是总的效果还是会削弱到达地表的净辐射进而使得地面降温。

整个过程就像给地球撑了一把阳伞一样，造成全球的显著降温，而温度的降低则会影响农作物的收成，在古代中国是一个典型的农耕社会，粮食危机再加上社会危机就很容易动摇一个国家，相当于给原本在走下坡路的国家在背后重重地推了一把。

火山爆发喷出的气溶胶对大气影响示意图（图片源自参考文献3）

基于古流体动力学数据同化产品（PHYDA）估计的火山爆发后夏季全球近地面大气温度响应。Year 0代表爆发当年，Year+1代表爆发后第一年，以此类推。蓝色阴影代表温度下降，红色则是温度上升。（图片源自参考文献4）

然而事情并没有我们想的那么简单，虽然充分的证据表明火山爆发会引起全球降温，但是具体降温的幅度和降温的持续时间目前还众说纷纭，因为我们对火山影响的研究主要是基于一些气候学代用资料，例如树木年轮、冰芯、石笋、花粉记录等等，从这些记录中解读出当时火山爆发的影响受限于记录本身的精确度和分析技术等等。全球地表温度对火山爆发后的响应其实是非常复杂的，会存在地区性和季节差异，例如极地和高纬度地区夏季降温会显著强于中低纬度，而大陆的部分区域地表温度在冬季会增加等等。

格陵兰冰芯（图片来源：美国自然历史博物馆）

• 降水响应

由于水是万物之源，很多研究还关注火山爆发对降水的影响。大型的火山爆发在引起全球温度降低的同时会伴随降水减少，干旱事件发生的频率增多。但是万事都有两面性，有研究指出火山爆发也有可能会伴随降水的增多，其中主要的“功臣”还是那个“两面派”的气溶胶。大气中发生降雨需要两位“小助手”：水滴和凝结核。没有凝结核，水滴只能漂浮在空中，以云的形式存在；没有水滴，凝结核就只是大气中的尘埃。只有当水滴和凝结核一起“手拉手”，空气托不住它们的时候，天就开始下雨了。火山爆发喷出的气溶胶就充当了凝结核的作用，凝结核的增多会导致降水的增多。

同样，全球降水对火山爆发的响应结果在区域上也存在很大的差异。有研究指出，过去千年中大型火山的爆发会引起非洲热带地区、中亚和中东地区的严重干旱，而大洋洲和南美季风区的气候会变得湿润得多。

• 厄尔尼诺响应

我们的地球其实是个水球，地球表面约80%都为海洋，海洋吸收70%的太阳入射辐射，海洋尤其是热带海洋是大气运动的重要能源，而且大气中约80%的水汽都来自于海洋…… 由此可见，如果海洋发生了变化，那将是牵一发而动全身，整个地球系统都将会变化。因此火山爆发对海洋会产生怎样的影响也是非常值得我们关注的，其中争论最多的当属厄尔尼诺或拉尼娜事件的发生概率。

研究此类问题我们一般采用数值模式进行模拟或者是采用气候学代用资料来进行分析，所得出的研究结果也是五花八门，甚至是自相矛盾的。有些发现火山的爆发会增加厄尔尼诺事件发生的可能性，同时还会跟火山爆发前的海洋状态有关，如果在火山爆发之前，海洋处于中性或拉尼娜状态，则在火山爆发之后的第一个北半球冬季，大约81%的热带火山爆发之后都会出现厄尔尼诺事件。另外火山爆发所处的地理位置也是影响厄尔尼诺事件的重要因素。

正常年和厄尔尼诺年赤道太平洋的状况（图片来源：unofficialnetworks.com）

• 臭氧响应

火山爆发的影响当然不局限于以上几个方面，它还会破坏平流层的臭氧使得紫外线辐射增强。相信大家对臭氧的作用并不陌生，我们平时所用的防晒霜是为了阻挡紫外线对皮肤的损伤，而臭氧正是紫外线的“头号杀手”。平流层的臭氧层像个“罩子”一样时时刻刻保护着我们免遭紫外线的伤害。但是强烈火山活动喷发的硫酸盐气溶胶和卤素（氯和溴）会增加对臭氧的损耗，其严重程度可不亚于我们熟知的冰箱制冷剂氟利昂的排放对臭氧的破坏。所以小伙伴要多多注意一下日常防晒哦！

臭氧层对地球的保护（图片来源：pixabay.com）

地球的气候变化关乎我们以及后代子子孙孙能否延续的问题，而火山作为影响地球气候的重要外部强迫因子之一，非常值得我们为此在这一方面不断地探索，当然火山爆发的影响是多方面的也是很复杂的，以上仅是我们站在气候的角度从温度、降水、海洋和臭氧这四个方面简单介绍了一下。

参考文献：

1. Chaochao Gao et al. Volcanic climate impacts can act as ultimate and proximate causes of Chinese dynastic collapse. Communications Earth & Environment (2021).

2. Robock, A., 2000. Volcanic eruptions and climate. Reviews of Geophysics 38, 191–219.

3. Sear, C., Kelly, P., Jones, P. et al. Global surface-temperature responses to major volcanic eruptions. Nature 330, 365–367 (1987).

4. Tejedor, E., Steiger, N., Smerdon, J.E., Serrano‐Notivoli, R., Vuille, M., 2021. Global Temperature Responses to Large Tropical Volcanic Eruptions in Paleo Data Assimilation Products and Climate Model Simulations Over the Last Millennium. Paleoceanography and Paleoclimatology 36.

5. Tejedor E, Steiger N J, Smerdon J E, et al. Global hydroclimatic response to tropical volcanic eruptions over the last millennium[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(12).

6. Liu, F., C. Xing, L. Y. Sun, B. Wang, D. L. Chen, and J. Liu, 2018b: How do tropical, northern hemispheric, and southern hemispheric volcanic eruptions affect ENSO under different initial ocean conditions? Geophys Res. Lett., 45, 13 041 13 049.

7. Liu, F., J. B. Li, B. Wang, J. Liu, T. Li, G. Huang, and Z. Y. Wang, 2018a: Divergent El Niño responses to volcanic eruptions at different latitudes over the past millennium. Climate Dyn., 50, 3799 3812.

来源：中国科学院大气物理研究所