瓦努阿圖的伊蘇爾火山口上方升起一個(gè)煙圈，這是新西蘭奧克蘭大學(xué)的研究人員在山頂上放置的紅外攝像機(jī)拍攝的。類似的煙圈曾出現(xiàn)于世界各地的火山上，但其形成原因一直是個(gè)謎。
從雷鳴般的火山碎屑流到灼熱的熔巖河，火山一直以猛烈的煙火聞名。然而，在火山安靜的時(shí)刻，有時(shí)也同樣令人敬畏，比如即將爆發(fā)的火山向天空中吹出一個(gè)慵懶的煙圈。
這種短暫的幻影曾在世界各地的多個(gè)火山上出現(xiàn)過，但目前科學(xué)家還不清楚其形成原因。雖然這些煙圈的直徑可達(dá)上百米，但其持續(xù)時(shí)間很短，而且難以預(yù)測(cè)，因此很難研究。這就是由Fabio Pulvirenti領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家們決定對(duì)其開展研究并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬的原因，F(xiàn)abio Pulvirenti是NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究員。
在這個(gè)由紅外圖像制作的動(dòng)畫中，伊蘇爾火山的一個(gè)火山口噴發(fā)出數(shù)個(gè)煙圈。
本月早些時(shí)候，在新加坡舉行的亞洲大洋洲地球科學(xué)學(xué)會(huì)年會(huì)上，該研究團(tuán)隊(duì)用虛擬火山做演示，表明“吸煙者嘴里發(fā)生的情況與火山內(nèi)部發(fā)生的現(xiàn)象基本上類似”，研究報(bào)告的合作者、意大利卡塔尼亞大學(xué)的火山學(xué)家Carmelo Ferlito說道。
煙霧和鏡子
盡管名為煙圈，實(shí)際上它們并非由煙組成，意大利國家地球物理和火山學(xué)研究所的火山學(xué)家Boris Behncke說，他沒有參與這項(xiàng)研究。實(shí)際上，這些“煙圈”主要由從巖漿中逸出和火山口噴出的冷凝氣體構(gòu)成，其主要成分是水蒸氣。
強(qiáng)風(fēng)可阻止煙圈形成或持續(xù)太長時(shí)間。否則，大量火山蒸汽形成的“煙圈”會(huì)飄向天空并膨脹——火山蒸汽比周圍的空氣溫度更高、密度更小。最終，當(dāng)“煙圈”散發(fā)出大部分蒸汽后，就會(huì)從視線中消失。
不過，似乎只有一些火山能形成煙圈，而且只在特定的時(shí)間出現(xiàn)。早在Pulvirenti 于2013年第一次得知“煙圈”時(shí)，他發(fā)現(xiàn)科學(xué)文獻(xiàn)并未給予實(shí)質(zhì)性的回答。因此，當(dāng)好奇心強(qiáng)烈到讓他難以忍受時(shí)，他招募了一些同事，試圖共同解開這個(gè)謎團(tuán)。
研究小組仔細(xì)閱讀了大量有關(guān)火山煙圈的文獻(xiàn)，調(diào)查其上升的高度、移動(dòng)及冷卻的速度、構(gòu)成成分的差異以及含有灰塵的頻率?？茖W(xué)家們還進(jìn)一步研究了巖漿氣體如何穿越和逸出火山通道，深入研究了實(shí)驗(yàn)室中的液體漩渦形成的復(fù)雜物理過程。
一系列紅外圖像展示了伊蘇爾火山上方一個(gè)煙圈形成和消散的過程。
盡管火山煙圈直徑可達(dá)上百米，但其持續(xù)時(shí)間很短，而且難以預(yù)測(cè)，因此很難進(jìn)行研究。
之后他們把所有的發(fā)現(xiàn)都輸入電腦模型。通過調(diào)整火山通道內(nèi)的積聚的壓力數(shù)據(jù)，以及虛擬火山火山口的幾何形狀，研究小組計(jì)算出了形成煙圈所需的條件。
當(dāng)巖漿通過火山通道向上噴涌時(shí)，周圍的壓力會(huì)下降，溶解的氣體便以氣泡的形式出現(xiàn)。如果巖漿不太粘稠，氣泡就會(huì)融合成單一的加壓氣泡。當(dāng)它們接近火山口時(shí)，這些氣泡會(huì)急劇減壓并爆炸，推動(dòng)熱蒸汽向上運(yùn)動(dòng)，有時(shí)速度接近超音速。
這時(shí)候，火山就像簡單的煙霧炮玩具一樣，后者通過一個(gè)狹窄的圓形開口噴出煙霧。在兩種情況下，都需要收集大量的蒸汽，然后迅速排出，形成一個(gè)圓環(huán)。
在模擬的火山中，從火山口噴出的蒸汽與巖石表面相互作用，導(dǎo)致氣體球沿著巖石邊緣運(yùn)動(dòng)。Pulvirenti說，慢動(dòng)作視頻表明，煙霧炮玩具也發(fā)生了同樣的過程。之后，當(dāng)上升的蒸汽環(huán)遇到寒冷的大氣時(shí)，會(huì)變冷，減速，冷凝，變得肉眼可見，有點(diǎn)類似飛機(jī)的航跡云。
要形成火山環(huán)，最重要的是火山口必須比較接近圓形，而且火山口的周圍高度必須相同。如果火山口的形狀太不規(guī)則，“煙圈”可能會(huì)嚴(yán)重扭曲、不穩(wěn)定，或者壓根兒不會(huì)形成。
“魔戒使者”
Benjamin Simons是奧克蘭大學(xué)火山學(xué)博士，曾在數(shù)座活火山上看到煙圈現(xiàn)象，其中包括瓦努阿圖的伊蘇爾火山。他看到的大部分“煙圈”都出現(xiàn)于“天窗”，也就是火山口上方近似圓形的天然開口，下面就是“美麗的巖漿”。
當(dāng)少量火山氣體通過這些狹窄的開口時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)“煙圈”。這些“煙圈”緩慢地上升，幾乎沒有力量在消失之前離開山頂火山口，他說。新計(jì)算機(jī)模型的計(jì)算結(jié)果與Simons的觀測(cè)結(jié)果相吻合?；鹕娇诘拈_口越圓，“就越有可能產(chǎn)生煙圈，”他說。
雖然新研究尚未通過同行評(píng)審，但它似乎解釋了不是所有火山都會(huì)出現(xiàn)煙圈的原因，因?yàn)闊熑Φ男纬尚枰量痰臈l件。
然而，即使?jié)M足了這些條件，煙圈也并不總是出現(xiàn)，這表明火山內(nèi)部的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們目前的了解。幸運(yùn)的是，研究小組仍在努力尋找更多的答案。
新研究不僅僅是為了滿足好奇心?；鹕綗熑Φ男纬陕窂脚c巖漿在火山爆發(fā)過程中流向地表的路徑相同，因此研究該問題可能有助于地質(zhì)學(xué)家更好地認(rèn)識(shí)火山內(nèi)部的情況。
Ferlito說，盡管新研究可能并沒有解決火山學(xué)中最緊迫的問題，但嘗試解決一個(gè)既有趣又美麗的謎團(tuán)仍是一件愜意的事情。
【火山竟然會(huì)吐“煙圈”！這技術(shù)真夠溜！】相關(guān)文章：
★ “十一五”節(jié)能減排科技計(jì)劃經(jīng)費(fèi)超百億
★ 北航學(xué)生自制火箭“北航2號(hào)”成功升天
★ 日本氣象廳密切關(guān)注富士山 未來兩月或?qū)姲l(fā)
★ 研究顯示太陽活動(dòng)減弱反而會(huì)使地球變熱
