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火山也是个"老烟民"?

2019-08-16 10:59:36  来源:知否

从雷鸣般的火山碎屑流到灼热的岩浆河,火山以其猛烈而闻名于世。然而火山在安静的时刻同样令人敬畏,有时还会像烟民一样向天空中吹出烟圈。

这种短暂存在的烟圈曾在世界上的多座火山出现过,但人们并不清楚它们是如何形成的。虽然它们的直径可以达到数百英尺,但它们的寿命很短而且难以预测,因此就很难研究。

美国宇航局喷气推进实验室的高级研究员Fabio Pulvirenti决定领导科学家进行研究。研究报告的合著者,意大利卡塔尼亚大学的火山学家Carmelo Ferlito表示,这表明吸烟者嘴里发生的事情,或多或少也发生在火山内部。

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烟非烟雾非雾,真身其实是水蒸气

意大利国家地球物理和火山学研究所的火山学家Boris Behncke并没有参与这项研究,他声称,尽管被称作烟圈,但这些烟圈并不是由烟组成的。相反,这些火山产物主要是水蒸气,它们从岩浆中逸出并通过火山口喷涌而出。

研究人员发现,强风能够阻止这种烟圈的形成或使其只能短暂存在。如果没有强风,由大量火山蒸汽形成的烟圈就会飘向天空并开始扩大。最终,当大部分的蒸汽都消失的时候,这种烟圈就会从视线中消失不见。

火山模型的计算机模拟终有所得

当研究人员在2013年第一次了解到它们时,他并没有在科学文献上发现任何实质性的答案。因此,当他的好奇心变得难以忍受时,他自己组建了研究团队试图解开这个谜团。

研究团队仔细阅读了大量对火山烟圈的观察,了解它们上升的高度、移动的速度、冷却的速度、它们成分的变化的程度以及它们含有火山灰的频率。他们还深入研究了这些来自岩浆的气体是如何从火山通道中流动的。

然后他们把所有的发现都输入到电脑模型中。通过调整火山通道内的压力积聚,以及虚拟火山喷口的几何形状,研究团队最终计算出了形成烟圈所需的条件。

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火山喷“烟圈”需要哪些条件呢?

当岩浆通过火山通道上升时,周围的压力下降,这就会使溶解的气体形成气泡的形式。如果岩浆不太粘稠,那些气泡就会融合成单一的压缩气体气气腔。当它们接近喷口时,这些气腔会剧烈地减压并发生爆炸,将热蒸汽向上推动。

火山就像一个简单的制造烟雾的玩具,它通过一个狭窄的圆形开口喷出烟雾。无论什么情况都需要有大量的蒸汽存在,然后迅速排出才能形成一个像样的烟圈。

当上升的水蒸汽环遇到寒冷的大气层时,它就会变冷、减速、冷凝并且变得清晰可见,有点像飞机的尾迹。至关重要的是,想要形成这种烟圈火山口必须是相当圆的,而且火山口的两侧高度必须相同。如果排气口形状太不规则或存在破裂的地方,那么这种烟圈就可能出现严重的弯曲和不稳定,甚至根本不会形成。

纯属满足自己好奇心的研究其实同样重要

奥克兰大学火山学博士Benjamin Simons曾在数座持续活跃的活火山上看到过这种烟圈,其中就包括瓦努阿图的亚苏尔火山。当小股的火山气体通过这些狭窄的开口时,烟圈就出现了。

Simons声称,它们缓慢地上升,而且几乎没有足够的力量支撑它们在消失之前离开在火山口。新的计算机模型的计算结果与Simons自己的观测结果相吻合。他声称,火山口越圆就越有可能产生烟圈现象。

虽然这项工作还有待同行审议,但它似乎能够解释为什么不是每座火山都能看到这种烟圈现象,那是因为烟圈的形成需要如此复杂的条件。然而,即使满足了这些条件,烟圈也并不总是出现,这表明火山内部气体的混乱状况比我们目前所了解的还要复杂。幸运的是,研究团队仍然在努力探索,希望能找到更多的答案。

这项研究并不仅仅解决了研究人员的好奇心。形成火山烟圈的通道也是火山爆发时岩浆流向地表的通道,因此研究它们可能有助于地质学家更好地理解火山蒸汽喉内的情况。Ferlito称,虽然这项工作可能并没有解决火山学中一些最紧迫的问题,但尝试解决一个既有趣又美丽的谜题也是相当不错的。

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