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火山噴發可能對環境、氣候和人類產生全球性影響，比如有一種說法，坦博拉（Tambora）火山爆發是拿破侖在滑鐵盧戰役中敗北的原因之一。火山爆發期間產生的噴發柱由火山灰和氣體組成，可以在噴發口上方數公裡處抵達平流層（10-50km），並在那裡通過大氣環流向全球擴散。例如1991年菲律賓皮納圖博火山噴發產生的火山灰雲在不到一個月的時間內就環繞瞭地球（Oppenheimer，2012）。註入平流層的大量含硫氣體和灰塵顆粒，很大一部分在幾天內消失，其餘的則轉化為硫酸和水的混合物，以微小顆粒的形式存在，它們在平流層的停留時間可以長達一年，引起光學效應並散射太陽光，從而對氣候產生冷卻效應。火山爆發能對地球低層大氣造成深刻而長久的影響，那麼它能影響中高層大氣甚至電離層嗎？近期，倫敦帝國理工學院地球科學與工程系研究人員Genge在Geology上發表封面文章（圖1），提出瞭一種火山爆發影響全球電離層的新機制——噴發柱的電荷引起火山灰的靜電懸浮，導致直徑<500nm的火山顆粒進入電離層，並在100s的時間尺度上幹擾電離層。圖1Geology第10期封面傳統觀點認為，平流層的逆溫效應阻礙瞭對流上升，因此火山噴出的火山灰不會對高層大氣產生重大影響。然而，爆發性火山噴發期間頻繁發生的火山閃電現象表明，噴發柱帶有顯著的電荷（圖1）。Lane和Gilbert的觀測及模型表明火山灰通常帶負電，而火山氣體通常帶正電，灰與氣體受對流和風的影響發生物理分離，從而產生大凈電荷。因此，爆炸性火山噴發可以視為一個發電機和電荷分離器，帶電的火山灰顆粒與具有相同極性的凈電荷的噴發物之間因為靜電相互作用而產生懸浮。顆粒的動態模擬結果如圖2所示，直徑為50nm、100nm和500nm的顆粒，從噴發柱（～10庫侖凈電荷）通過對流上升到50km高度後，可以在大約2小時內，分別達到110km、90km和60km的高空。大型火山隻要噴發的時間較長（如1991年皮納圖博火山噴發的高潮期為9小時），而懸浮顆粒在這段時間內保持帶電，它們就有足夠的時間抵達最大高度。當然，由於與大氣中的正離子發生作用，火山顆粒的電荷會發生松弛，從而限制瞭懸浮時間。基於氣體動力學理論，電荷弛豫時間約為100-1000s。大的爆炸性火山噴發產生的火山灰通常是矽質的，這種材質的電荷弛豫時間更為長久。圖2模擬的50km直徑的火山巖噴發柱上，直徑為100nm（紅色）、50nm（綠色）和10nm（灰色）的火山顆粒軌跡。平流層中的灰點表示噴發柱內的點電荷，粗體字表示達到峰值高度的時間 。在幾次火山爆發期間，科學傢們都觀察到瞭全球尺度的電離層電流擾動，擾動隨噴發的量級變化而變化。雖然這種擾動可以從重力波的角度去解釋，但它們也可以解釋為懸浮粒子的變化結果——靜電懸浮將負電荷帶入電離層，從而降低大氣中的正離子密度。Genge的研究還提出瞭一個非常新穎的觀點，認為火山灰的靜電懸浮可能導致全球氣候的短期變化。其主要機制是大氣電場的顯著破壞以及電離層的短響應時間可能會在超級火山噴發期間幹擾雲的形成，從而減少瞭全球的雲層覆蓋和降水。當電離層恢復正常時，全球雲團形成受到抑制，大氣中H2O的含量增加，雲層覆蓋得到增強，導致降水增加。這一觀點與通常認為由平流層氣溶膠引起變化而導致的降水增加機制有顯著區別。圖3顯示瞭1883年8月26日印尼喀拉喀托火山爆發後的氣溫數據和降水數據。從喀拉喀托火山噴發前後的降水頻率來看，8月22日至8月27日期間，記錄降水的氣象站數量最少（總共138個站點）。圖31883年北美、歐洲、俄羅斯和澳大利亞47個站點測量的平均最高和最低日氣溫（藍線）。橙色曲線顯示記錄降水的氣象站數，它在1883年8月22-27日之間降至最低（間隔用實線垂直線表示）。以上研究成果為理解整個地球不同圈層的耦合提出瞭非常新穎的觀點，並從量級上估算瞭地表火山活動對整個上層大氣圈造成的顯著影響，文中的推論需要跨學科聯合以及更加詳細、準確的觀測來證實。（編輯：Wendy）
source:https://www.huanbao-world.com/a/zixun/2018/1204/65098.html