編者按：看寒來暑往雲捲雲舒，思古往今來氣候變遷，中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設“大氣悟理”，為大家介紹大氣裡發生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環境相關的知識。

2022年1月15日，位於南太平洋島國湯加的洪阿哈阿帕伊島火山（Hunga Tonga-Hunga Ha‘apai）爆發了，我國的風雲四號衛星將這一過程盡收眼底。

湯加洪阿哈阿帕伊島火山風雲四號衛星監測圖（圖片來源：公眾號風雲衛星）

此次的火山爆發直接噴出了一個小島，現有的模式中陸地-海洋地形估計要有所更新了，氣候學家們由此需要對模式進行相應的修改，以更好研究火山與氣候的關係。

那麼，科學家們是從什麼時候注意到火山可以改變氣候的呢？

火山噴發（圖片來源：piqsels。com）

編者按：看寒來暑往雲捲雲舒，思古往今來氣候變遷，中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設“大氣悟理”，為大家介紹大氣裡發生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環境相關的知識。

其實我們的科學家們在很早之前就開始了探索，他們更多地還是從歷史上的大型火山噴發導致的氣候響應作為研究的重點。那麼在歷史上又有哪些威力巨大的火山呢？

我們先來看看一座名叫坦博拉（Tambora）的火山。

它位於今印度尼西亞，已經沉睡了五千年的它於1815年猛烈爆發，高度從原來的4100米瞬間降為2850米，足足削減了近三分之一。它的爆發造成了1816年世界範圍內的寒冷，這一年在歐洲歷史上被稱為“無夏之年”。從紐約到歐洲再到中國，刺骨的寒風幾乎席捲了整個北半球，農作物顆粒無收，民眾飢寒交迫，猶如“世界末日”的來臨。

坦博拉火山口（圖片來源：earth。com）

而坦博拉火山僅是歷史上幾次著名的大火山噴發其中的一個，其他的分別是1258年印尼的薩馬拉斯（Samalas）火山、1883年印尼的喀拉喀託（Krakatau）火山、1963年印尼的阿貢（Agung）火山和1991年菲律賓的皮納圖博（Pinatubo）火山。這幾個火山的噴發直接導致了接下來2~5年的全球大降溫，甚至觸發了小冰期。

歷史上著名的五次大火山噴發（圖片來源：大氣科學進展AAS公眾號截圖）

歷史上五次大火山噴發

其實火山遍佈在世界各處，學術界依據板塊構造理論普遍認為火山主要分佈在板塊邊界處，主要集中在環太平洋火山帶、洋脊火山帶、地中海-印度尼西亞火山帶、紅海沿岸與東非火山帶這四個地帶。

世界火山和地震帶分佈（圖片來源：mafengwo。com）

從近處來看，大家關注的焦點都是集中於火山爆發引起的地震、海嘯、火災等等。那麼，從遠處來看火山爆發會帶來哪些氣候響應呢？

火山的分佈地帶

前不久，一項發表於國際學術期刊《通訊-地球與環境》（Communications Earth & Environment）上的一項研究成果，指出火山爆發引起的氣候變化可能是導致中國王朝覆滅的最終且直接原因。

遠在千里之外的低緯度火山又是如何“暗中”對朝代的滅亡產生影響呢？它們之間是如何實現“夢幻聯動”呢？

火山爆發引起的氣候響應

其中的緣由可以用“陽傘效應”來解釋，強烈的火山噴發把大量的氣體和火山灰拋入空中進入平流層。地球大氣按照溫度隨高度分佈的特點從低到高可以分為如下幾層：對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層，其中平流層位於對流層之上，它最大的特點就是受力穩定，以平流運動為主，也就是飛機飛行的位置所在。

平流層的這一特點使得由硫酸微滴組成的氣溶膠可以在平流層中長時間存在。火山爆發噴出的氣溶膠其實是個“兩面派”，它一方面會散射入射的太陽輻射，另一方面也會吸收來自地面和大氣的紅外輻射。但是總的效果還是會削弱到達地表的淨輻射進而使得地面降溫。

整個過程就像給地球撐了一把陽傘一樣，造成全球的顯著降溫，而溫度的降低則會影響農作物的收成，在古代中國是一個典型的農耕社會，糧食危機再加上社會危機就很容易動搖一個國家，相當於給原本在走下坡路的國家在背後重重地推了一把。

火山爆發噴出的氣溶膠對大氣影響示意圖（圖片源自參考文獻3）

基於古流體動力學資料同化產品（PHYDA）估計的火山爆發後夏季全球近地面大氣溫度響應。Year 0代表爆發當年，Year+1代表爆發後第一年，以此類推。藍色陰影代表溫度下降，紅色則是溫度上升。（圖片源自參考文獻4）

然而事情並沒有我們想的那麼簡單，雖然充分的證據表明火山爆發會引起全球降溫，但是具體降溫的幅度和降溫的持續時間目前還眾說紛紜，因為我們對火山影響的研究主要是基於一些氣候學代用資料，例如樹木年輪、冰芯、石筍、花粉記錄等等，從這些記錄中解讀出當時火山爆發的影響受限於記錄本身的精確度和分析技術等等。全球地表溫度對火山爆發後的響應其實是非常複雜的，會存在地區性和季節差異，例如極地和高緯度地區夏季降溫會顯著強於中低緯度，而大陸的部分割槽域地表溫度在冬季會增加等等。

格陵蘭冰芯（圖片來源：美國自然歷史博物館）

溫度響應

由於水是萬物之源，很多研究還關注火山爆發對降水的影響。大型的火山爆發在引起全球溫度降低的同時會伴隨降水減少，乾旱事件發生的頻率增多。但是萬事都有兩面性，有研究指出火山爆發也有可能會伴隨降水的增多，其中主要的“功臣”還是那個“兩面派”的氣溶膠。大氣中發生降雨需要兩位“小助手”：水滴和凝結核。沒有凝結核，水滴只能漂浮在空中，以雲的形式存在；沒有水滴，凝結核就只是大氣中的塵埃。只有當水滴和凝結核一起“手拉手”，空氣託不住它們的時候，天就開始下雨了。火山爆發噴出的氣溶膠就充當了凝結核的作用，凝結核的增多會導致降水的增多。

同樣，全球降水對火山爆發的響應結果在區域上也存在很大的差異。有研究指出，過去千年中大型火山的爆發會引起非洲熱帶地區、中亞和中東地區的嚴重乾旱，而大洋洲和南美季風區的氣候會變得溼潤得多。

降水響應

我們的地球其實是個水球，地球表面約80%都為海洋，海洋吸收70%的太陽入射輻射，海洋尤其是熱帶海洋是大氣運動的重要能源，而且大氣中約80%的水汽都來自於海洋…… 由此可見，如果海洋發生了變化，那將是牽一髮而動全身，整個地球系統都將會變化。因此火山爆發對海洋會產生怎樣的影響也是非常值得我們關注的，其中爭論最多的當屬厄爾尼諾或拉尼娜事件的發生機率。

研究此類問題我們一般採用數值模式進行模擬或者是採用氣候學代用資料來進行分析，所得出的研究結果也是五花八門，甚至是自相矛盾的。有些發現火山的爆發會增加厄爾尼諾事件發生的可能性，同時還會跟火山爆發前的海洋狀態有關，如果在火山爆發之前，海洋處於中性或拉尼娜狀態，則在火山爆發之後的第一個北半球冬季，大約81%的熱帶火山爆發之後都會出現厄爾尼諾事件。另外火山爆發所處的地理位置也是影響厄爾尼諾事件的重要因素。

正常年和厄爾尼諾年赤道太平洋的狀況（圖片來源：unofficialnetworks。com）

厄爾尼諾響應

火山爆發的影響當然不侷限於以上幾個方面，它還會破壞平流層的臭氧使得紫外線輻射增強。相信大家對臭氧的作用並不陌生，我們平時所用的防曬霜是為了阻擋紫外線對面板的損傷，而臭氧正是紫外線的“頭號殺手”。平流層的臭氧層像個“罩子”一樣時時刻刻保護著我們免遭紫外線的傷害。但是強烈火山活動噴發的硫酸鹽氣溶膠和鹵素（氯和溴）會增加對臭氧的損耗，其嚴重程度可不亞於我們熟知的冰箱製冷劑氟利昂的排放對臭氧的破壞。所以小夥伴要多多注意一下日常防曬哦！

臭氧層對地球的保護（圖片來源：pixabay。com）

地球的氣候變化關乎我們以及後代子子孫孫能否延續的問題，而火山作為影響地球氣候的重要外部強迫因子之一，非常值得我們為此在這一方面不斷地探索，當然火山爆發的影響是多方面的也是很複雜的，以上僅是我們站在氣候的角度從溫度、降水、海洋和臭氧這四個方面簡單介紹了一下。

參考文獻：

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臭氧響應

【來源：中科院之聲】

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