中科院大氣物理所：湯加火山爆發將導致“無夏之年”?別慌,再看看_風聞

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”，為大家介紹大氣裏發生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環境相關的知識。

湯加火山爆發爆發過程，視頻來自於Alejandro S Mendez

近期南太平洋湯加海域火山爆發，儘管這是本世紀迄今為止最大的火山爆發，然而與引起1816年“無夏之年”的坦博拉火山爆發相比，量級依然差距巨大，如果後期沒有更強的爆發，此次火山爆發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

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, 175.382°W）發生大規模火山爆發，衞星探測結果表明，火山灰最高衝至約28千米高空，衞星雲圖上甚至可見爆發而上的蘑菇雲。一時之間，全球媒體紛紛報道，國內某些營銷號也迅速跟進發出2022年將是“無夏之年”的文章，這次火山真的會引起這麼強的氣候效應麼？

衞星雲圖顯示的湯加附近海域火山爆發過程，圖片基於美國國家海洋和大氣管理局靜止衞星（GOES-West）和日本向日葵（Himawari-8）衞星

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衝擊波，環太平洋地區均發佈了海嘯預警，新西蘭、澳大利亞和萬里之遙的日本、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。

湯加火山爆發後的大氣波動，GOES-17衞星紅外輻射圖，圖片來自於Mathew Barlow

湯加火山爆發後的大氣波動， EUMETSAT衞星紅外輻射圖，圖片來自於Mathew Barlow

受影響最嚴重的主要是火山爆發當地，火山爆發引起的火積雲直衝雲霄，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，和外界的所有聯繫中斷，整個國家在互聯網世界中消失。巨大爆炸的聲音甚至傳到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，位於活躍的湯加-克馬德克羣島火山弧上，過去100年，此處經歷過多次海底火山爆發，火山噴發使得島嶼高度多次變化，2014年上一次火山噴發形成一個新島，此次噴發之後，新島從海面上消失。

二、火山爆發如何影響氣候？

火山大爆發對當地可造成毀滅性影響，例如公元79年，意大利南部那不勒斯灣東海岸維蘇威火山大爆發，火山灰和火山礫瞬間淹沒了繁華的龐貝城和斯塔比伊城。

火山大爆發還對地球氣候有重要影響，大的火山爆發甚至能影響氣候的走向。例如距今約7.5萬年（~75000±900）以前，印尼蘇門答臘島的託巴（Toba）超級火山爆發，這次火山爆發達到了超大規模的8級（火山爆發指數），據估計噴發出了2800立方千米的物質。地質資料分析，火山灰的沉積範圍向西一直到印度次大陸和阿拉伯海，向東北方向直到~1500-1800公里的中國南海。

科學家估計Toba火山爆發後形成了全球長達6-10年的火山冬天，期間全球平均温度降低超過5度，在中高緯度降温甚至超過10度，火山專家美國羅格斯大學新伯朗士威分校Alan Robock教授的數值模擬研究表明，最大的全球降温可能達到15度。在格陵蘭島的冰芯資料裏發現了此次火山的沉降物，隨之有長達千年的低温期（δ18O含量偏低），有研究（Ambrose, 1998; Rampino, 2002）認為此次超強火山爆發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，當時地球人類數量可能降低到了有史以來最低值（全球人口數降低到1萬-3萬），人類演化差點被推到了滅絕的邊緣。儘管關於此次火山對人類數目的影響依然還有爭議，但是各研究都承認此次超強火山確實對氣候造成了嚴重的影響。

火山影響氣候並不是通過火山灰，因為火山灰是比較大的顆粒，很快就會通過乾和濕過程沉降，主要是通過火山噴發的二氧化硫，火山噴發的二氧化硫氣體直達平流層，在較短時間（一兩個月）即會形成硫酸氣溶膠，隨着平流層環流輸送到全球各處，由於平流層環流穩定，所以硫酸會持續更長的時間(一年以上)，通過阻擋太陽輻射，引起近地面温度降低。

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的冰雪面積，從而觸發冰雪反照率-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。

火山噴發形成的平流層硫酸鹽氣溶膠的輻射效應（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，當年全球温度異常偏低，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湖裏和河裏依然有冰塊。

8月20和21日，向南到弗吉尼亞地區秋天的霜凍已經到來。

在紐約郊區的震教徒（shakers）教區，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，五月份每天温度還會降到冰點以下。6月9日地面還是凍結狀態，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，重新出現霜凍。

歐洲也差不多，寒冷使得當年作物收成基本無望，從英國、愛爾蘭、威爾士到德國，四處都是受災的難民和乞丐，食品價格飆漲，1815年一蒲式耳燕麥價格摺合現在約為1.55美元，到1816年飆升到12.85美元。示威、騷亂、縱火和打劫猖獗，當年成為19世紀歐洲最差的荒年。這一災難的肇事者是1815年東南亞的坦博拉(Tambora)火山爆發，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造成的，其餘人則是死於饑荒和疾病。而萬里之遙的歐洲，饑荒造成超過20萬死亡。

估算的1816年歐洲温度異常，比氣候平均態低3度以上。

坦博拉火山位於印度尼西亞松巴哇島上，1815年4月5日-15日爆發達到創紀錄的VEI 7級（火山爆發指數），據記載這次火山爆發前坦博拉火山高度為4100米，火山爆發之後只剩下2850米，形成直徑達6000多米，深700米的巨大火山口，這次火山灰柱高度達到45公里（到平流層高層），大氣中火山灰隨風飄，150公里之外火山灰有1米厚，300公里之外有25釐米，到了1000公里之外還有5釐米的火山灰，火山灰完全遮蔽了天空，記載一週之後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。

火山爆發的影響可達萬里之外，人們不僅可以感受得到温度的變化，而且可以肉眼可見。當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。英國著名風景畫家透納（Joseph Mallord William Turner）畫下了他眼中的天空，他的畫充滿着靈動，他説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），藍色的天空終於露出了笑臉，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持續時間、造成經濟和人員損失、聲響大小等並不直接關聯，主要和火山爆發進入平流層的硫酸鹽量有關。在20世紀最主要的幾次火山爆發中，1963年的阿貢火山爆發約800萬噸二氧化硫進入平流層，1982年爆發的埃爾奇瓊火山噴發了約700萬噸二氧化硫進入平流層，而1991年的Pinatubo火山爆發，有大約2000萬噸二氧化硫進入平流層，這三次火山爆發都在全球温度序列裏留下了印記，降温幅度分別為約-0.2°C、約-0.2°C和約-0.5°C，持續時間為1-2年。

目前評估火山爆發強度一般用火山爆發指數（VEI）來衡量，數值越大，火山爆發越強。火山爆發指數（VEI）是基於噴發物總質量與噴發柱高度來判斷，總體上和火山爆發能量一致。VEI數值每增大1，其噴發的體積增大10倍。由於火山爆發指數（VEI）並不是根據進入平流層的硫酸鹽量來判斷，因此並不能完全反映其氣候影響，儘管一般來説VEI數值越大，噴發進入平流層的二氧化硫越多，但是根據火山爆發方式、噴出物質、火山爆發位置、火山爆發時天氣情況的不同，能進入到平流層的二氧化硫經常有巨大的差別。例如1980年5月18日美國聖海倫火山爆發，火山爆發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，造成57人死亡，然而這次火山爆發進入平流層的二氧化硫量僅為約100萬噸左右，其對全球氣温的影響微不足道，在全球平均的温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了約700萬噸二氧化硫進入平流層，導致全球温度降低約0.2°C。因此，以筆者判斷，火山爆發要對全球平均氣温造成可觀測和識別的影響，其噴發進入平流層的二氧化硫量至少需要達到200萬噸以上。

火山爆發一般會持續比較長的時間，例如1991年Pinatubo火山從當年3月開始活躍起來，到當年6月15日產生最強的爆發，後續一直持續到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，目前還處於活躍狀態，因此後續是否還會有更大規模的爆發，還需要進一步監測。

從最新衞星監測數據來看，此次湯加附近海域的海底火山爆發火山灰最高達到約28km，這已經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，如果這個火山後期沒有更大規模的噴發，我們可以判斷，此次火山活動暫無可能影響全球温度。

值得注意的是，大規模火山爆發的氣候影響不僅僅侷限於全球温度，也會對熱帶海温分佈（ENSO）狀態有所影響，還可能通過遙相關產生其他的環流影響，這還需要進一步深入的評估。

來源：中國科學院大氣物理研究所