@ 2019.10.20 , 22:44

火山会制造400米宽的海底空泡

投稿:alma29
原文:http://blogs.discovermagazine.com/d-brief/2019/10/18/some-volcanoes-create-undersea-bubbles-up-to-a-quarter-mile-wide-isns/

约翰·立昂斯是在阿拉斯加火山观测所工作的地质物理学家。他的主要工作就是“破译”火山喷发奏响的乐音。遍布阿留申群岛——阿拉斯加半岛西侧的一系列80余座火山——的高灵敏度麦克风倾听着每一次爆炸、震动、和“打嗝”。

题图:博格斯洛夫火山喷出的蒸汽。博格斯洛夫火山是一座半水下火山,2017年喷发时制造了巨大的水下气泡。

2017年,半水下火山博格斯洛夫喷发,喷出大量火山灰和水蒸气到达海平面上7英里(11.3公里)严重影响了附近的空中交通。在九个月的活跃过程中,观测所的麦克风收听到了一个奇怪的低沉切缓慢的旋律,这个旋律重复了超过250次。

“不同于非常短促且高频的典型爆发的信号,这些信号频率非常低,并且有些持续了接近10秒钟的时间”,立昂斯说道。

好几个月以来这些奇怪声音的源头都是个谜,直到立昂斯的同事发现了一份有趣的来自海军舰艇对海面的描述,记录于1908年博格斯洛夫火山爆发的时候。1911年的一份技术世界(The Technical World)杂志报道,海军军官说见到了“巨大的穹顶样的突起,和华盛顿特区的国会山的圆顶一样大”。这个穹顶时而缩小时而胀大,直到最后爆发出“巨量的烟和蒸汽…逐渐扩大直到注目观看的人们感到他们可能会被一场大灾难波及的恐惧。”

立昂斯和同事想知道他们收听到的这些低频信号是否与海面下很浅的地方形成的巨大气泡有关。他们受意大利斯通波利火山相关研究的启发——空气与熔岩界面上的熔岩泡研究——为这个声音信号建立了一个水与空气界面附近的超压气泡的模型。

火山会制造400米宽的海底空泡
原理图:水下喷发产生巨大的气泡,先膨胀然后收缩、发出怪声、最终破裂。(摘自立昂斯论文)

他们的研究成果于周一发表于《自然-地球科学》杂志上。成果认为,水下火山爆发确实可以导致国会山穹顶大小的气泡。根据他们的计算,这个尺寸只能算小的,2017年博戈斯洛夫喷发可导致100到440米(328到1444英尺)直径的气泡,最大可达四分之一英里(0.4公里)宽。

“很难想象这么巨大的气泡,但我们计算得出的气泡内的气体体积与(直接在空气中)喷发的气体体积类似”立昂斯说,“想象火山喷发喷出的烟柱里的所有气体和火山灰都留在水下,它们总归是要出来的。”

研究者们认为巨大的气泡是寒冷的海水与热火山物质之间特别的交互反应产生的。熔岩从海底火山口向上喷出的时候,海水快速冷却外层,产生一层气密的盖子盖住了火山口。这层半冷却的熔岩“皮”终会被火山口内的压力挤出,就像香槟酒的塞子那样,同时释放出底下积累的大量气体并形成一个大气泡。气泡在水中扩大,最终会突出水面以上。如此涨缩数次后,气泡就会破裂,释放出其中的气体同时产生火山喷发的烟柱。

低频的声音信号来自于气泡的涨缩循环,在气体与由海水和火山灰为主构成的外壳的限制之间寻找平衡点。这一发现也代表着这样的火山活动第一次被次声监控记录。次声监控监听在空气中传播时低于人耳听觉频率极限的声波。研究者越来越多采用次声监控技术来弥补传统地震数据的不足,以获得对喷发动力学原理更深入的了解。

“我认为这项工作是开创性且有影响力的,”爱达荷州博伊西州立大学的地球物理学家杰夫瑞·B·约翰逊说。“巨大气泡能够反直觉地涨缩循环并产生数公里外都可记录地声音信号。”

除了1908年博格斯洛夫火山喷发的记录,还有两次观测记录描述了类似的现象:1952-53年的日本明神礁火山喷发和1996年的俄罗斯卡雷姆火山喷发。后者的一份报告描述了“快速胀大、深灰色、表面光滑的球茎一样的物体里充满了膨胀的气体和火山碎屑,可能由水构成的外壳的表面张力维持。”这个气泡膨胀到水面上450米之高。

想要亲眼见到这样的气泡比较困难,因为水下火山大多在偏远的海洋深处,并且时机也必须完美。但立昂斯希望能够通过研究更容易接触和直接观测的类似系统的运作来继续这项工作,例如地热喷泉或者沸泥塘。他认为可以监听这些类型的气泡的声音信号来检验他们的模型中采取的一些假设,例如水的粘度。


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