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“無夏之年”的坦博拉火山爆發(fā)相比，量級依然差距巨大，如果后期沒有更強的爆發(fā)，此次火山爆發(fā)對全球氣候的影響非常有限，不可能引起“無夏之年”。
一、湯加火山爆發(fā)
2022年1月15日12時20分左右（北京時間），南太平洋島國湯加海域（20.536°S, 17382°W）發(fā)生大規(guī)?；鹕奖l(fā)，衛(wèi)星探測結(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。一時之間，全球媒體紛紛報道，國內(nèi)某些營銷號也迅速跟進發(fā)出2022年將是“無夏之年”的文章，這次火山真的會引起這么強的氣候效應(yīng)么？
此次火山確實在全球引起巨大的影響，在海洋和大氣引起較強的沖擊波，環(huán)太平洋地區(qū)均發(fā)布了海嘯預(yù)警，新西蘭、澳大利亞和萬里之遙的、美國西海岸等地都觀測到了明顯的漲潮，萬里之遙的我國、美國西部和南美洲等地都觀測到了氣壓的小幅波動。
湯加火山爆發(fā)后的大氣波動，GOES-17衛(wèi)星紅外輻射圖，圖片來自于Mathew Barlow
湯加火山爆發(fā)后的大氣波動， EUMETSAT衛(wèi)星紅外輻射圖，圖片來自于Mathew Barlow
受影響最嚴(yán)重的主要是火山爆發(fā)當(dāng)?shù)?，火山爆發(fā)引起的火積云直沖云霄，摩擦引起強烈的閃電，海嘯襲擊湯加、斐濟、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，整個國家在互聯(lián)網(wǎng)世界中消失。巨大***的聲音甚至傳到800公里外的斐濟和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)對當(dāng)?shù)乜稍斐蓺缧杂绊?，例如公?9年，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5萬年（~75000±900）以前，印尼蘇門答臘島的托巴（Toba）超級火山爆發(fā)，這次火山爆發(fā)達(dá)到了超大規(guī)模的8級（火山爆發(fā)指數(shù)），據(jù)估計噴發(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次和阿拉伯海，向東北方向直到~1500-1800公里的中國南海。
科學(xué)家估計Toba火山爆發(fā)后形成了全球長達(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)為此次超強火山爆發(fā)甚至改變了地球上各種生命的進程，甚至使得北半球四分之三的植物死亡，當(dāng)時地球人類數(shù)量可能降低到了有史以來最低值（全球人口數(shù)降低到1萬-3萬），人類演化差點被推到了滅絕的邊緣。盡管關(guān)于此次火山對人類數(shù)目的影響依然還有爭議，但是各研究都承認(rèn)此次超強火山確實對氣候造成了嚴(yán)重的影響。
火山影響氣候并不是通過火山灰，因為火山灰是比較大的顆粒，很快就會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，在較短時間（一兩個月）即會形成硫酸氣溶膠，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，所以硫酸會持續(xù)更長的時間(一年以上)，通過阻擋太陽輻射，引起近地面溫度降低。
強的火山活動一般會有較為長期的影響，主要是通過進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，從而形成更強和更長期的影響。
火山噴發(fā)形成的平流層硫酸鹽氣溶膠的輻射效應(yīng)（圖片來源：COMET計劃）
三、歷史上真正的無夏之年
歷史上的“無夏之年”特指1816年，當(dāng)年全球溫度異常偏低，歐美稱其為“無夏之年（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。
在紐約郊區(qū)的震教徒（shakers）教區(qū)，一個叫做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降到冰點以下。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，8月23日，重新出現(xiàn)霜凍。
歐洲也差不多，寒冷使得當(dāng)年作物收成基本無望，從英國、愛爾蘭、威爾士到德國，四處都是受災(zāi)的難民和乞丐，食品價格飆漲，1815年一蒲式耳燕麥價格折合現(xiàn)在約為55美元，到1816年飆升到185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年東南亞的坦博拉(Tambora)火山爆發(fā)，火山在東南亞造成71000多人死亡，其中11000-12000人是直接因為火山爆發(fā)造成的，其余人則是死于饑荒和疾病。而萬里之遙的歐洲，饑荒造成超過20萬死亡。
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（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平流層的時候，天空的朝霞和晚霞異常漂亮，這被稱作dry fog。因為火山氣溶膠在平流層，因此不受對流層天氣的影響。英國著名風(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，他說自己的畫作只是真實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，他們一定會萬分想念藍(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
火山能否對全球氣候造成影響與火山爆發(fā)持續(xù)時間、造成經(jīng)濟和人員損失、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800萬噸二氧化硫進入平流層，1982年爆發(fā)的埃爾奇瓊火山噴發(fā)了約700萬噸二氧化硫進入平流層，而1991年的Pinatubo火山爆發(fā)，有大約2000萬噸二氧化硫進入平流層，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)時間為1-2年。
目前評估火山爆發(fā)強度一般用火山爆發(fā)指數(shù)（VEI）來衡量，數(shù)值越大，火山爆發(fā)越強?；鹕奖l(fā)指數(shù)（VEI）是基于噴發(fā)物總質(zhì)量與噴發(fā)柱高度來判斷，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)進入平流層的硫酸鹽量來判斷，因此并不能完全反映其氣候影響，盡管一般來說VEI數(shù)值越大，噴發(fā)進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)時天氣情況的不同，能進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日美國圣海倫火山爆發(fā)，火山爆發(fā)的轟鳴聲幾乎響徹美國1/3國土面積，這是一次VEI 5級強度的火山爆發(fā)，造成57人死亡，然而這次火山爆發(fā)進入平流層的二氧化硫量僅為約100萬噸左右，其對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不出，而同是VEI 5級火山的埃爾奇瓊火山則噴發(fā)了約700萬噸二氧化硫進入平流層，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)要對全球平均氣溫造成可觀測和識別的影響，其噴發(fā)進入平流層的二氧化硫量至少需要達(dá)到200萬噸以上。
火山爆發(fā)一般會持續(xù)比較長的時間，例如1991年P(guān)inatubo火山從當(dāng)年3月開始活躍起來，到當(dāng)年6月15日產(chǎn)生最強的爆發(fā)，后續(xù)一直持續(xù)到1992年7月才慢慢平靜下來。本次湯加的火山活動從2021年12月底開始，目前還處于活躍狀態(tài)，因此后續(xù)是否還會有更大規(guī)模的爆發(fā)，還需要進一步監(jiān)測。
從最新衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，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，因此評級為5級左右比較合適，之前對進入平流層的二氧化硫的估算量為約5萬噸，而根據(jù)Sentinel5P/TROPOMI的對進入平流層的二氧化硫的估算，大概有40萬噸二氧化硫進入平流層，總體而言，這一數(shù)值距離可以對全球氣候有所影響，還有非常大的差距，因此，如果這個火山后期沒有更大規(guī)模的噴發(fā)，我們可以判斷，此次火山活動暫無可能影響全球溫度。
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，也會對熱帶海溫分布（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，這還需要進一步深入的評估。
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