高空的漣漪 – 談火山噴發對地球環境的影響 (1)

Storyteller/P.C

此為西元1991年皮納圖博火山噴發一景。[圖片來源:Dave Harlow, USGS – CVO Photo Archives – Pinatubo, Philippines]

提到火山噴發,許多人第一個聯想到的就是過去那些悲慘的人類歷史,例如在西元初被維蘇威火山(Mount Vesuvius)摧毀的龐貝古城,抑或是西元1815年印尼坦博拉火山(Tambora volcano in Indonesia)的噴發,引起了海嘯導致坦博拉鎮的毀滅,更進而造成全球氣候異常,使得西元1816年成為一個「無夏之年」(Year Without a Summer)。

在科學家不斷持續的研究中,火山與氣候變遷一直息息相關;而與此同時在火山噴發的當下,也對整個大氣造成了不小影響。在早期西元1980年代,當時位於美國華盛頓州的聖海倫火山(Mount St. Helens)爆發,是美國少數造成死亡人數最多,同時經濟損失也非常慘重的一次噴發歷史紀錄;也因為火山噴發的劇烈,使得科學家們紛紛投入不少研究。前中央研究院副院長劉兆漢,便曾分析西元1982年時聖海倫火山噴發對大氣造成的影響。例如在該次事件裡,發現不同觀測站皆有記錄到火山爆發造成的大氣擾動,並且以水平速度300公尺每秒遠離聖海倫火山,其研究結果刊載於由美國地球物理聯盟出版的地球物理研究期刊(Journal of Geophysical Research, JGR)。

關於火山噴發對高層大氣的影響,在聖海倫火山事件後,隨著儀器與分析方法的進步,開始受到更多科學家的關注與投入,包含後來菲律賓皮納圖博火山(Mt. Pinatubo)的噴發[Cheng and Huang,1992;Igarashi et al., 1994;Hao et al., 2006],也讓更多科學家進一步確認,隨著大型火山的噴發,確實會造成高層大氣的擾動,就像池子中的漣漪一般。

有趣的是,既然火山噴發會造成高層大氣的擾動,那我們是不是可以做一些應用呢?隨著西元2004年位於日本Asama火山的噴發,讓日本教授Heki有了這樣的想法:「是否能藉由擾動,來反推火山噴發的能量呢?」於是開始著手研究。

首先,Heki教授藉由散佈在日本的GPS接收站資料,推算出火山噴發所造成高空電離層(ionosphere)電子密度擾動的速度。他的方法是利用多筆的觀測資料建立擬合曲線,於是就可以藉著擾動隨時間與火山距離的變化做線性迴歸來推算。接著,他想將Asama火山的噴發拿來和西元1998年由Calais等人研究美國礦爆對電離層影響的研究進行比較[Calais, 1998]。

在這個礦爆事件研究中,Heki教授瞭解了礦爆過程所使用的能量(1.5Kt的銨油炸藥)以及高層大氣所造成擾動的幅度大小;這意味著,他便能從中建立一些假設,而將Asama火山所造成的擾動幅度套進去,藉以反推火山噴發的能量有多大!

於是透過一系列的假設,並藉由能量與振幅平方的比例關係,Heki教授終於推論出火山的能量,大約是2×1014焦耳。

然而誠如我們所知,大自然是如此的複雜,就連Heki教授在研究裡也提到,這只是初步的分析,若要得到更完整的結果,我們必須反過來檢視事先所建立的一系列假設,每一步的改變都有可能造成結果的不同;而要如何更進一步檢視原本的假設,就必須有賴於儀器與分析方法的進步了。

台灣位處於環太平洋火山帶(Ring of Fire),雖然目前並沒有立即的火山噴發危機,但綜觀四方,那些我們的鄰居,例如日本、菲律賓、印尼等,處處皆與諸多即將噴發的活火山為伍;而從前述可知,縱然火山噴發對於人類有著莫大的威脅,但只要我們懂得如何觀察自然,也可以有著意想不到的收穫,就讓我們繼續關心地球的每一個角落吧!

 

參考資料:

  • Roberts, D. H., et al. (1982), A large amplitude traveling ionospheric disturbance produced by the May 18, 1980, explosion of Mount St. Helens, J. Geophys. Res., 87, 6291– 6301.

  • Cheng, K., Huang, Y.H., 1992. Ionospheric disturbances observed during the period of Mount Pinatubo eruptions in June 1991. J.Geophys.Res.97,16995–17004.

  • Igarashi, K., Kainuma, S.,Nishimuta, I., Okamoto, S., Kuroiwa, H., Tanaka, T., Ogawa, T., 1994. Ionospheric and atmospheric disturbances around Japan caused by the eruption of Mount Pinatubo on June 15,1991.J.Atmos.Terr. Phys.56,1227–1234.

  • Hao, Y.Q., Xiao, Z., Zhang, D.H., 2006. Responses of the ionosphere to the Great Sumatra earthquake and volcanic eruption of Pinatubo. Chin. Phys. Lett. 23 (7), 1955.

  • Heki, K., 2006. Explosion energy of the 2004 eruption of the Asama Volcano, central Japan, inferred from ionospheric disturbances. Geophys. Res. Lett. 33, L14303.

  • Calais, E., J. B. Minster, M. A. Hofton, and H. Hedlin (1998), Ionospheric signature of surface mine blasts from Global Positioning System measurements, Geophys. J. Int., 132, 191– 202.