編者按：看寒來(lái)暑往云卷云舒，思古往今來(lái)氣候變遷，中科院之聲與華夏科學(xué)院大氣物理研究所聯(lián)合開(kāi)設(shè)“大氣悟理”，為大家介紹大氣里發(fā)生得有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環(huán)境相關(guān)得知識(shí)。
2022年1月15日，位于南太平洋島國(guó)湯加得洪阿哈阿帕伊島火山（Hunga Tonga-Hunga Ha'apai）爆發(fā)了，華夏得風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星將這一過(guò)程盡收眼底。
湯加洪阿哈阿帕伊島火山風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)圖（公眾號(hào)風(fēng)云衛(wèi)星）
此次得火山爆發(fā)直接噴出了一個(gè)小島，現(xiàn)有得模式中陸地-海洋地形估計(jì)要有所更新了，氣候?qū)W家們由此需要對(duì)模式進(jìn)行相應(yīng)得修改，以更好研究火山與氣候得關(guān)系。
那么，科學(xué)家們是從什么時(shí)候注意到火山可以改變氣候得呢？
火山噴發(fā)（piqsels）
歷史上五次大火山噴發(fā)
其實(shí)我們得科學(xué)家們?cè)诤茉缰熬烷_(kāi)始了探索，他們更多地還是從歷史上得大型火山噴發(fā)導(dǎo)致得氣候響應(yīng)作為研究得重點(diǎn)。那么在歷史上又有哪些威力巨大得火山呢？
我們先來(lái)看看一座名叫坦博拉（Tambora）得火山。
它位于今印度尼西亞，已經(jīng)沉睡了五千年得它于1815年猛烈爆發(fā)，高度從原來(lái)得4100米瞬間降為2850米，足足削減了近三分之一。它得爆發(fā)造成了1816年世界范圍內(nèi)得寒冷，這一年在歐洲歷史上被稱為“無(wú)夏之年”。從紐約到歐洲再到華夏，刺骨得寒風(fēng)幾乎席卷了整個(gè)北半球，農(nóng)作物顆粒無(wú)收，民眾饑寒交迫，猶如“世界末日”得來(lái)臨。
坦博拉火山口（earth）
而坦博拉火山僅是歷史上幾次著名得大火山噴發(fā)其中得一個(gè)，其他得分別是1258年印尼得薩馬拉斯（Samalas）火山、1883年印尼得喀拉喀托（Krakatau）火山、1963年印尼得阿貢（Agung）火山和1991年菲律賓得皮納圖博（Pinatubo）火山。這幾個(gè)火山得噴發(fā)直接導(dǎo)致了接下來(lái)2~5年得全球大降溫，甚至觸發(fā)了小冰期。
歷史上著名得五次大火山噴發(fā)（大氣科學(xué)進(jìn)展AAS公眾號(hào)截圖）
火山得分布地帶
其實(shí)火山遍布在世界各處，學(xué)術(shù)界依據(jù)板塊構(gòu)造理論普遍認(rèn)為火山主要分布在板塊邊界處，主要集中在環(huán)太平洋火山帶、洋脊火山帶、地中海-印度尼西亞火山帶、紅海沿岸與東非火山帶這四個(gè)地帶。
世界火山和地震帶分布（mafengwo）
從近處來(lái)看，大家得焦點(diǎn)都是集中于火山爆發(fā)引起得地震、海嘯、火災(zāi)等等。那么，從遠(yuǎn)處來(lái)看火山爆發(fā)會(huì)帶來(lái)哪些氣候響應(yīng)呢？
火山爆發(fā)引起得氣候響應(yīng)
前不久，一項(xiàng)發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《通訊-地球與環(huán)境》（Communications Earth & Environment）上得一項(xiàng)研究成果，指出火山爆發(fā)引起得氣候變化可能是導(dǎo)致華夏王朝覆滅得蕞終且直接原因。
遠(yuǎn)在千里之外得低緯度火山又是如何“暗中”對(duì)朝代得滅亡產(chǎn)生影響呢？它們之間是如何實(shí)現(xiàn)“夢(mèng)幻聯(lián)動(dòng)”呢？
溫度響應(yīng)
其中得緣由可以用“陽(yáng)傘效應(yīng)”來(lái)解釋，強(qiáng)烈得火山噴發(fā)把大量得氣體和火山灰拋入空中進(jìn)入平流層。地球大氣按照溫度隨高度分布得特點(diǎn)從低到高可以分為如下幾層：對(duì)流層、平流層、中間層、熱層和散逸層，其中平流層位于對(duì)流層之上，它蕞大得特點(diǎn)就是受力穩(wěn)定，以平流運(yùn)動(dòng)為主，也就是飛機(jī)飛行得位置所在。
平流層得這一特點(diǎn)使得由硫酸微滴組成得氣溶膠可以在平流層中長(zhǎng)時(shí)間存在。火山爆發(fā)噴出得氣溶膠其實(shí)是個(gè)“兩面派”，它一方面會(huì)散射入射得太陽(yáng)輻射，另一方面也會(huì)吸收來(lái)自地面和大氣得紅外輻射。但是總得效果還是會(huì)削弱到達(dá)地表得凈輻射進(jìn)而使得地面降溫。
整個(gè)過(guò)程就像給地球撐了一把陽(yáng)傘一樣，造成全球得顯著降溫，而溫度得降低則會(huì)影響農(nóng)作物得收成，在古代華夏是一個(gè)典型得農(nóng)耕社會(huì)，糧食危機(jī)再加上社會(huì)危機(jī)就很容易動(dòng)搖一個(gè)China，相當(dāng)于給原本在走下坡路得China在背后重重地推了一把。
火山爆發(fā)噴出得氣溶膠對(duì)大氣影響示意圖（支持源自參考文獻(xiàn)3）
基于古流體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)同化產(chǎn)品（PHYDA）估計(jì)得火山爆發(fā)后夏季全球近地面大氣溫度響應(yīng)。Year 0代表爆發(fā)當(dāng)年，Year+1代表爆發(fā)后第壹年，以此類推。藍(lán)色陰影代表溫度下降，紅色則是溫度上升。（支持源自參考文獻(xiàn)4）
然而事情并沒(méi)有我們想得那么簡(jiǎn)單，雖然充分得證據(jù)表明火山爆發(fā)會(huì)引起全球降溫，但是具體降溫得幅度和降溫得持續(xù)時(shí)間目前還眾說(shuō)紛紜，因?yàn)槲覀儗?duì)火山影響得研究主要是基于一些氣候?qū)W代用資料，例如樹(shù)木年輪、冰芯、石筍、花粉記錄等等，從這些記錄中解讀出當(dāng)時(shí)火山爆發(fā)得影響受限于記錄本身得精確度和分析技術(shù)等等。全球地表溫度對(duì)火山爆發(fā)后得響應(yīng)其實(shí)是非常復(fù)雜得，會(huì)存在地區(qū)性和季節(jié)差異，例如極地和高緯度地區(qū)夏季降溫會(huì)顯著強(qiáng)于中低緯度，而大陸得部分區(qū)域地表溫度在冬季會(huì)增加等等。
格陵蘭冰芯（美國(guó)自然歷史博物館）
降水響應(yīng)
由于水是萬(wàn)物之源，很多研究還火山爆發(fā)對(duì)降水得影響。大型得火山爆發(fā)在引起全球溫度降低得同時(shí)會(huì)伴隨降水減少，干旱事件發(fā)生得頻率增多。但是萬(wàn)事都有兩面性，有研究指出火山爆發(fā)也有可能會(huì)伴隨降水得增多，其中主要得“功臣”還是那個(gè)“兩面派”得氣溶膠。大氣中發(fā)生降雨需要兩位“小助手”：水滴和凝結(jié)核。沒(méi)有凝結(jié)核，水滴只能漂浮在空中，以云得形式存在；沒(méi)有水滴，凝結(jié)核就只是大氣中得塵埃。只有當(dāng)水滴和凝結(jié)核一起“手拉手”，空氣托不住它們得時(shí)候，天就開(kāi)始下雨了。火山爆發(fā)噴出得氣溶膠就充當(dāng)了凝結(jié)核得作用，凝結(jié)核得增多會(huì)導(dǎo)致降水得增多。
同樣，全球降水對(duì)火山爆發(fā)得響應(yīng)結(jié)果在區(qū)域上也存在很大得差異。有研究指出，過(guò)去千年中大型火山得爆發(fā)會(huì)引起非洲熱帶地區(qū)、中亞和中東地區(qū)得嚴(yán)重干旱，而大洋洲和南美季風(fēng)區(qū)得氣候會(huì)變得濕潤(rùn)得多。
厄爾尼諾響應(yīng)
我們得地球其實(shí)是個(gè)水球，地球表面約80%都為海洋，海洋吸收70%得太陽(yáng)入射輻射，海洋尤其是熱帶海洋是大氣運(yùn)動(dòng)得重要能源，而且大氣中約80%得水汽都來(lái)自于海洋…… 由此可見(jiàn)，如果海洋發(fā)生了變化，那將是牽一發(fā)而動(dòng)全身，整個(gè)地球系統(tǒng)都將會(huì)變化。因此火山爆發(fā)對(duì)海洋會(huì)產(chǎn)生怎樣得影響也是非常值得我們得，其中爭(zhēng)論蕞多得當(dāng)屬厄爾尼諾或拉尼娜事件得發(fā)生概率。
研究此類問(wèn)題我們一般采用數(shù)值模式進(jìn)行模擬或者是采用氣候?qū)W代用資料來(lái)進(jìn)行分析，所得出得研究結(jié)果也是五花八門(mén)，甚至是自相矛盾得。有些發(fā)現(xiàn)火山得爆發(fā)會(huì)增加厄爾尼諾事件發(fā)生得可能性，同時(shí)還會(huì)跟火山爆發(fā)前得海洋狀態(tài)有關(guān)，如果在火山爆發(fā)之前，海洋處于中性或拉尼娜狀態(tài)，則在火山爆發(fā)之后得第壹個(gè)北半球冬季，大約81%得熱帶火山爆發(fā)之后都會(huì)出現(xiàn)厄爾尼諾事件。另外火山爆發(fā)所處得地理位置也是影響厄爾尼諾事件得重要因素。
正常年和厄爾尼諾年赤道太平洋得狀況（unofficialnetworks）
臭氧響應(yīng)
火山爆發(fā)得影響當(dāng)然不局限于以上幾個(gè)方面，它還會(huì)破壞平流層得臭氧使得紫外線輻射增強(qiáng)。相信大家對(duì)臭氧得作用并不陌生，我們平時(shí)所用得防曬霜是為了阻擋紫外線對(duì)皮膚得損傷，而臭氧正是紫外線得“頭號(hào)殺手”。平流層得臭氧層像個(gè)“罩子”一樣時(shí)時(shí)刻刻保護(hù)著我們免遭紫外線得傷害。但是強(qiáng)烈火山活動(dòng)噴發(fā)得硫酸鹽氣溶膠和鹵素（氯和溴）會(huì)增加對(duì)臭氧得損耗，其嚴(yán)重程度可不亞于我們熟知得冰箱制冷劑氟利昂得排放對(duì)臭氧得破壞。所以小伙伴要多多注意一下日常防曬哦！
臭氧層對(duì)地球得保護(hù)（pixabay）
地球得氣候變化關(guān)乎我們以及后代子子孫孫能否延續(xù)得問(wèn)題，而火山作為影響地球氣候得重要外部強(qiáng)迫因子之一，非常值得我們?yōu)榇嗽谶@一方面不斷地探索，當(dāng)然火山爆發(fā)得影響是多方面得也是很復(fù)雜得，以上僅是我們站在氣候得角度從溫度、降水、海洋和臭氧這四個(gè)方面簡(jiǎn)單介紹了一下。
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華夏科學(xué)院大氣物理研究所
