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新发现:汤加火山喷发在地球臭氧层穿了一个洞

根据10月20日发表在《科学》(Science)杂志上的一项新研究,2022年汤加火山喷发,由于向大气中注入了大量水蒸气,导致地球臭氧层被撕裂了一大块。

这座火山位于汤加的一个岛屿上,于2022年1月15日爆发,其释放的巨大能量是广岛核弹的10万倍,与圣海伦火山(Mount St. Helens)爆发的威力相当。

在火山喷发后的一周内,一些地区的臭氧层就被消耗了高达5%。

这是由于喷发时大量的水、火山灰、盐酸和二氧化硫一起喷入大气中,形成高达34英里的蒸气羽流。

“当其喷发时,多种物质被释放到高层大气中,”该研究的主要作者、法国留尼汪大学大气与旋风实验室(LACy)的研究员斯蒂芬妮‧埃文(Stephanie Evan)告诉《新闻周刊》。“其中包括水蒸气、二氧化硫和火山灰。具体来说,二氧化硫是一种重要的火山气体,可与大气中的水蒸气发生反应,形成主要由硫酸组成的火山气溶胶。这些气溶胶能够散射阳光,影响气候并在高层大气化学中发挥重要作用,特别是在臭氧方面。”

新发现:汤加火山喷发在地球臭氧层穿了一个洞

2022年1月15日汤加火山爆发,大量的水、火山灰、盐酸和二氧化硫一起喷入大气中。(Tonga Geological Services)

这种蒸气与从火山喷出的许多其它化学物质发生反应,导致热带西南太平洋和印度洋地区上空大气中的臭氧分解。

“高层大气中的火山气溶胶在臭氧化学中发挥着重要作用。这些气溶胶可以促进化学反应,将通常不活跃的气体转化为消耗臭氧层的分子,特别是氯原子。”埃文解释道。

“汤加火山喷发后水蒸气的增加产生了关键影响。它提高了相对湿度并冷却了高层大气,主要是在海拔 25至30公里之间。这种条件的变化使得火山气溶胶表面温度高于其通常的范围,从而发生化学反应。这种火山气溶胶上发生的化学反应会将通常不活跃的氯化合物(例如氯化氢)转化为活性高的氯化合物(例如一氧化氯)。”

大量消耗臭氧

研究作者在论文中描述了他们如何在火山喷发五天后将气球从印度洋的留尼汪岛(Réunion Island)发射到火山羽流中,以测量火山羽流飘入大气中时发生的化学反应。

他们发现,水蒸气和气溶胶表面积的显着增加伴随着臭氧的大量消耗,消耗率为每天0.07ppmv。他们还降低了氯化氢的浓度并增加了一氧化氯的浓度,这表明氯与臭氧发生了反应,从而侵蚀了大气中的臭氧水平。

“简言之,火山气溶胶形成了能够分解臭氧的物质,从而促进了臭氧的减少。氯化物的这种化学作用,在火山爆发一周后,导致了热带西南太平洋和印度洋地区上空高层大气中臭氧的快速减少。”埃文说。

研究发现,羽流区域的臭氧浓度在一周内迅速下降了5%。虽然这个数字很大,但远不及南极洲臭氧空洞的减少程度,南极洲的臭氧空洞每年9月至11月期间会减少约60%。而对热带地区臭氧层的破坏,即使是5%也非同寻常,因该地区的臭氧厚度通常非常稳定。

“在喷发期间,我们观察到水蒸气水平至少达到正常水平的70倍”,埃文说, “水蒸气的增加与臭氧的减少和气溶胶层的存在有关。这些气溶胶促进了化学反应,将高层大气中通常不活跃的气体转化为消耗臭氧层的分子,例如氯原子。”

对南极臭氧层的影响

科学家曾预计火山羽流将漂到南极上空,使地球南极上空的臭氧空洞进一步变薄。然而,对南极臭氧空洞的观测表明,火山爆发并未改变臭氧空洞的情况。

埃文说:“随着来自汤加火山羽流在热带地区随着时间的推移而移动,它逐渐分散开来。火山羽流的主要分散方向是南半球中纬度地区,这主要是由于高层大气中的大规模环流模式所致。在扩散过程中,羽流中的水蒸气浓度降低了。研究表明,水蒸气水平需要显着升高,达到正常背景水平的20倍左右,火山气溶胶上的化学反应才会导致臭氧的破坏。因此,随着羽流消散,水蒸气水平在2022年1月底恢复到较低值,我们在NASA卫星测量中观察到,对臭氧的快速消耗已经停止。”

作者希望利用这些发现进一步研究自然灾害如何影响大气,进而影响气候变化。

“正如汤加火山喷发期间所观察到的那样,大量水蒸气进入高层大气中,可能会对气候变化产生多种影响。水蒸气是一种强效温室气体,它以红外辐射的形式吸收来自地表的热量,并随后将其发回地表。”埃文说,“因此,注入如此大量的水蒸气预计将导致大气层变暖数年,直到气体自然消散为止。”

“此外,水蒸气的增加还可能对大气化学产生二次影响,包括影响臭氧含量。然而,这些具体影响不在我们的研究范围之内,不过它是一个科学界正在研究的主题。”

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