2022 年 1 月 15 日，我们再次被提醒了地球深处潜藏的巨大力量。在那一天，位于南太平洋、汤加主岛汤加塔布岛以北约 40 英里处的一座海底火山——洪阿汤加-洪阿哈阿帕伊火山——发生了剧烈喷发。在 2021 年 12 月 20 日的初步隆隆声之后，1 月份喷发的顶点将大量水和火山灰推入空中，升入地球的中间层（高层大气），高达 36 英里。它造成了远达日本和美洲的海啸，甚至切断了海底电缆，导致汤加与外界的通讯长达一个月。
近一年后，牛津大学物理系和 RAL 太空部门的研究人员发表了关于卫星图像的研究，证实这次喷发产生了有史以来最高的火山羽流。这也是首次直接观测到火山羽流进入高层大气。这项研究结果于今日发表在《科学》杂志上。
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“我实际上来自天气而非火山学的背景，而这次喷发被多颗气象卫星如此清晰地捕捉到，促使我开始这项研究，”首席作者兼研究员 Simon Proud 在接受《PopSci》采访时表示。“主要动机是测试这些气象卫星在检查极端事件方面的实用性。”
科学家们通常可以估算火山羽流的高度，他们使用基于红外的卫星来记录羽流顶部的温度，并将其与垂直温度剖面进行比较。在地球大气层的第一层，也是最低层，称为对流层，温度随高度升高而降低。然而，如果喷发足够大，将羽流推入下一层（平流层），这种方法就不太奏效了，因为温度又会随高度升高而升高。这种增加是由于臭氧层吸收了太阳的紫外线辐射。
为了解决这个问题，Proud 和团队使用了一种基于称为视差效应的现象的方法，即物体从多个视线观察时位置的视差。检验方法是闭上右眼，伸出一只手，拇指竖起。然后切换成闭上左眼，张开右眼，拇指似乎会轻微移动。然后，你可以通过测量这种视差变化并结合你眼睛之间已知且易于测量的距离来计算到拇指的距离。
“视差效应对此非常有帮助，因为它不受其他方法的限制。传统上，我们使用羽流的温度来判断它上升了多高，但这依赖于准确了解不同高度的大气温度，这在大规模喷发期间是不可能实现的！” Proud 说。“视差只需要几张来自不同地点的卫星图像，无需其他信息，因此简单而准确。”
三颗地球同步气象卫星覆盖了火山的位置，因此团队使用了捕获的航拍图像并将视差效应应用于它们。卫星在喷发期间每 10 分钟记录一次图像。这些关键数据确保了羽流轨迹的快速变化能够被记录下来。
根据研究结果，羽流的最高高度达到 35 英里。这个羽流比之前两个创纪录的喷发还要高：1991 年菲律宾的皮纳图博火山喷发（24 英里高）和 1982 年墨西哥的奇孔火山喷发（19 英里高）。
“高度当然令人惊讶，”Proud 说。“而且，高度变化的方式——我们有一个高度的大峰值，在 10 分钟后又下降了，然后又出现了一个大峰值。看到高度如此快速地变化，真的令人惊讶。”
这个羽流也提供了火山喷发将物质注入平流层并直接进入高层大气的第一个观测证据，高层大气大约在地球上方 31 至 53 英里处。
Proud 强调，继续研究这些喷发对于向处于危险中的人们提供更好的熔岩流或海啸预警和预测至关重要。研究这次特定喷发是否对气候建模者有用也很重要。“喷发本身对气候的影响相当有限，但它将如此多的水、火山灰和其他碎片送入高层大气，是测试气候模型如何处理这些情况、它们能否预测这些影响的好方法，”他说。
团队的下一步是构建一个自动系统，可以使用视差方法计算火山羽流的高度。手动计算的完全自动化将加快羽流测量过程。
在 Proud 看来，有一点很清楚，这类研究并非凭空产生，需要多个不同领域专家的合作才能成功。
“我认为这次喷发表明，科学的各个方面现在是如何相互交织的。我们在学校里经常被教导物理、化学和计算是独立的学科，”他补充道。“但它们现在如此紧密地联系在一起。我们的研究汇集了工程、物理、数学和大量的计算。”
