问题

1 月 17 日,媒体称「汤加火山再度喷发」尚未证实,当前科学技术是如何监测火山爆发的?

回答
2022年1月17日,关于汤加火山再度喷发的报道引起了广泛关注,但消息尚未得到官方证实。在这样信息模糊的时刻,我们更应该了解的是,如今科学技术是如何做到对火山爆发进行监测的。从地底深处到天空之上,科学家们动用了各种“千里眼”和“顺风耳”,构建起一套严密的预警网络。

1. 地面侦察兵:实时感知地下的躁动

火山爆发并非一蹴而就,它往往伴随着地下岩浆活动的剧烈变化。地面监测是了解这些变化的第一道防线。

地震仪网络: 这是最基础也是最重要的监测手段。火山下方存在岩浆房,当岩浆上升或移动时,会挤压周围岩石,引发地震。科学家们在全球各地火山区域密集部署地震仪,它们就像是地下的听诊器,能够捕捉到哪怕是微小的震动。通过分析地震的发生频率、震级、震源深度以及地震波的传播速度和方向,科学家们可以判断岩浆的运动方向、深度和活动强度。例如,如果地震活动越来越靠近地表,并且伴随着特殊的“长周期地震”或“火山震颤”,这往往是岩浆即将喷发的强烈信号。
地面形变监测: 火山体在岩浆的挤压下,地表会有明显的隆起或沉降。科学家们使用高精度的测量技术来监测这些微小的形变。
全球导航卫星系统(GNSS): 包括GPS、GLONASS、Galileo等系统,通过在火山区域设置固定监测点,持续记录这些点的三维坐标变化。这些变化能够反映出地壳的扩张或收缩,从而推断出地下岩浆房的压力变化。
倾斜仪和测距仪: 倾斜仪能够精确测量地表坡度的变化,而测距仪(如激光测距仪)则可以测量火山锥上不同点之间的距离变化。这些数据也能灵敏地反映火山体内部的形变。
气体监测: 火山喷发前,地下挥发性物质会通过裂缝逸出地表,产生各种气体。科学家们通过部署气体传感器,实时监测火山区域释放的气体成分和含量,尤其是二氧化硫(SO₂)、二氧化碳(CO₂)、硫化氢(H₂S)等。SO₂是岩浆释放的重要标志物,其浓度的异常升高通常预示着岩浆活动的加剧。
地下水和温泉监测: 火山活动会影响地下水的水温、化学成分和水位。监测温泉的温度、pH值以及溶解的矿物质含量,可以为判断火山活动提供线索。例如,温泉温度的突然升高可能意味着岩浆离地表更近。

2. 天空中的眼睛:遥感技术捕捉全局变化

地面监测虽然直接,但往往只能覆盖到特定的区域。而遥感技术则能以更广阔的视野和更宏观的角度,捕捉火山活动的细微变化,尤其是在火山喷发或地表难以到达的情况下。

卫星遥感:
热红外遥感: 火山活动会产生异常的热量,卫星上的热红外传感器能够探测到地表温度的异常升高,即使是地表下微小的热异常也能被捕捉到。这些数据可以帮助科学家们识别新的喷气孔或岩浆涌动点。
光学遥感: 高分辨率的卫星图像可以清晰地展示火山锥的形态变化、喷出的火山灰羽流、熔岩流的路径等。通过对比不同时期的卫星图像,可以直观地发现火山形态的改变。
合成孔径雷达(SAR): SAR技术不受云层和光照条件的影响,能够穿透地表,生成地表的详细地形图。通过SAR干涉测量(InSAR)技术,科学家们可以以毫米级的精度测量地表形变,即使是细微的隆起或沉降也能被发现,为地面形变监测提供了有力补充。
多光谱和高光谱遥感: 分析火山释放气体的吸收光谱,可以精确识别和量化气体成分,如SO₂的浓度变化,为气体监测提供了新的途径。
航空遥感: 飞机或无人机搭载各种传感器,可以进行更灵活和高分辨率的地面或空中监测。例如,在火山爆发过程中,无人机可以安全地飞入火山灰羽流区域,采集详细的气体成分、颗粒物大小和温度等数据。

3. 空气中的信号:监测火山灰羽和化学信号

火山喷发时释放的火山灰羽和气体,是其最显著的标志之一。

火山灰羽监测:
雷达监测: 地面雷达能够探测到火山灰羽的上升高度、扩散范围和运动方向。特别是多普勒雷达,还可以测量火山灰粒子的运动速度。
卫星和航空监测: 如前所述,卫星和飞机上的传感器也能有效追踪火山灰羽的扩散,并评估其对航空安全和其他环境的影响。
航空气象部门的配合: 航空部门与火山监测机构紧密合作,一旦监测到火山灰羽,会立即发布预警信息,调整航线,以避免飞机发动机吸入火山灰而导致事故。
大气化学监测: 除了SO₂,火山还会释放出其他化学物质,如氯化氢(HCl)和氟化氢(HF)。通过大气化学监测网络,可以捕捉到这些痕量气体的异常浓度变化,进一步为火山活动提供佐证。

4. 历史数据与模型预测:经验与科技的结合

除了实时监测,科学家们还依赖于大量的历史数据和先进的科学模型。

历史火山活动记录: 对特定火山的历史喷发模式、喷发强度和周期进行研究,可以为当前活动提供参考。
火山动力学模型: 基于地球物理学、地球化学和岩石学原理,科学家们构建计算机模型,模拟岩浆的生成、运移和喷发过程。这些模型能够整合各种监测数据,预测未来可能的喷发情景,评估潜在的风险区域和影响范围。

汤加火山的特殊性与监测挑战

像汤加的洪阿·哈阿帕伊(Hunga TongaHunga Ha'apai)这样的海底火山,其监测面临着更大的挑战。海底环境复杂,传感器部署和维护困难。但即便如此,上述提到的多种技术仍然在发挥作用。例如,卫星遥感能够捕捉到海底火山喷发时引起的巨大水汽 plumes(羽流)和海啸。地震仪也能够捕捉到海底发生的地震。

总而言之,当前的火山监测是一项多学科、多技术的综合性工作。通过整合地面、空中和卫星等多种数据源,科学家们能够更全面、更及时地了解火山的“一举一动”,为防灾减灾争取宝贵的时间。尽管如此,火山的复杂性和不可预测性仍然是科学界面临的长期挑战,每一次监测和研究都在不断深化我们对地球内部奥秘的认识。

网友意见

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正文:开始了!就看永恒族,变形金刚,捉鬼队能不能阻止地球毁灭了!

PS:图片上来看事不大。

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火山这玩意儿的原理其实没有多么的神秘,当然了我自己是个门外汉,说的不妥的地方还请大手子指正。


现在还在活动的火山绝大多数都跟一种很小的东西有关:

珊瑚虫。


这玩意儿虽然还没你的鼻屎大,但是它改变地球的力度要比人类厉害得多。因为它出现在地球上已经有好几十亿年的时间,而人类出现才满打满算不超过100万年,这就是数量级上的碾压。


珊瑚虫虽然不起眼,但是它数量大,它的生物量碾压了人类好多个数量级,而且存在时间还碾压了好几个数量级,因此它在地球上闹出的动静比人类大得多也就不足为怪了。

这是它们搞出来的一个小号的炸弹,它们最大的炸弹比这个大很多。

这是你们人类搞出来的最大的炸弹。


它们搞出来的比你们人类搞出来的大很多很多很多


依靠它们巨大无比的生物量,实际上珊瑚虫在有人类之前就已经非常显著的改变了地球的面貌,这个过程直到今天还在继续,有时候你都搞不清楚到底是人类还是珊瑚虫,是这个星球的主人。





珊瑚虫会给自己造一层碳酸钙为主要成分的外壳,用来保护自己,就是这层不起眼的外壳改变了地球。珊瑚虫的寿命非常短,死亡以后这些碳酸钙成分的外壳就留下来,并且在漫长的地质年代中沉积在海底,形成一层厚厚的碳酸盐沉积。

对比一下旁边人类修建的灯塔,感受一下这些不起眼的珊瑚虫的成就。


这些碳酸盐沉积物会随着地球板块的移动而移动,有时候会被板块运动带到地底去,这时候就会闹出一些很大的动静了,比如说,火山。


目前人类对于火山喷发的具体机制还知之甚少,但是多多少少都跟碳酸盐沉积有关。


跟我们印象中不同,地幔物质并不等于岩浆,而是一种更加黏稠而流动缓慢的东西。只有当珊瑚虫的尸体也就是碳酸盐沉积层被地壳板块带到地底的时候,神奇的事情就发生了,我们都知道碳酸盐受热会分解成氧化物和二氧化碳。比如像碳酸钙,在大约825-896.6℃会分解成氧化钙和二氧化碳。

要命的是,二氧化碳在这个温度下是气体


固化在碳酸钙里的二氧化碳分解出来,在正常的压力下体积会膨胀很多倍,在地下它没办法自由的膨胀,则会导致压力急剧增加


地幔物质与地表带下来的碳酸盐接触之后,二氧化碳气体析出,压力急剧增加的同时黏度会急剧下降,变得更容易流动也更加“稀”,密度有所减少而压力巨大,这时候才叫“岩浆”,这些岩浆所在的地方我们称为“岩浆池”或者“岩浆囊”。


这时候如果地壳有裂缝或者管道,在巨大压力作用下这些岩浆就会沿着裂缝、管道喷出,并且进一步扩大裂缝和管道,形成火山喷发


火山喷发的时候会喷出一些来不及彻底析出二氧化碳的石头,遇到水立刻就冷却定型了,还基本上保持着跟二氧化碳混合的状态,一种多孔蓬松的状态,甚至能够浮在水面上,就是我们通常说的“浮石”。

浮石基本上就是火山喷发的标志性物质,某个区域能够找到浮石的话,多半在这个地层标志的地质年代发生过火山喷发。


顺便说一下:我国东北地区的老铁们喜欢用这玩意儿来扒脚上的茧皮,也算是一种很奇特的用途。




小小珊瑚虫惊天动地的大事业就介绍到这里,现在来说一说汤加正在发生的火山爆发。


老实说我们现在没什么靠谱的办法知道汤加火山还会不会继续喷发,现在有没有达到喷发的峰值,下一步到底会怎么样。火山研究的现状跟地震研究简直就是一对难兄难弟,远远谈不上完全掌握了原理和机制,因为火山和地震的发生地都埋在深深的地下,探测感知手段非常的有限。


我们现在一般是通过地震波的传播来了解地下发生了什么事情。

我们熟知的古登堡不连续面和莫霍不连续面,这个“不连续”指的就是地震波波形的不连续,说明穿透地球的地震波在这两个地方遭遇了什么东西导致波形不连续的。波,在均匀介质里传播的话,波形不会发生什么改变,但是如果介质发生了突然变化,那么波形才会突变。


人类就是利用这一点去感知地下到底有什么的。


然而这玩意儿有一个非常致命的弱点:“分辨率”太低了。


这里打一个引号是因为地质学里其实根本不提什么“分辨率”的事情,远远谈不到“分辨”的程度。打一个不大恰当的比方,我们手机上的“光传感器”也就是你的摄像头,轻轻松松就能达到1000万像素以上,而地震火山研究方面的“分辨率”还不超过100个像素。


这里忽略掉波长导致的光学分辨率问题,因为没有什么谈论的意义,这个仅有的探测手段决定了一切基于地震波的探测还远远达不到“成像”的要求。


换一句简单的话说,我们不知道地下岩浆池有多大、多深、多厚、具体成分,只知道那里大概有一坨什么东西,根据以往的经验推测大概是什么成分。




所以对于汤加火山到底以后会怎么样,坦率的说,没人知道。


一方面是因为探测手段还远远达不到要求;


另一方面是因为汤加附近现在你肯定不大愿意去,更别说跑去探测了,哪怕人不怕死,仪器设备也是扛不住的。


岩浆一旦突破了地壳喷发出来,情况就会变得非常复杂,这种海底火山还有个海水侵入的问题:海水侵入地下以后,水会变成水蒸气,水蒸气也是气体,这就很要命了。海水会不会侵入?侵入多少?会不会进一步扩大岩浆池?地壳裂缝和管道会不会封闭?这些现在都没人说得清楚。


总结一下现在的情况就是:


1、没人知道岩浆池有多大;


2、没人知道喷发峰值到没到;


3、没人敢去冒死搞清楚情况;


4、冒死去了也没什么用。


所以现在我们只能等着,作为这个星球上远远算不上“最”伟大的生物,我们只能静静的看着大自然发威。

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