科学家正结合地震监测、机器学习与地下物理学研究，试图建立通用物理模型，实现像天气预报一样精准预测火山爆发。
1991年夏天，菲律宾皮纳图博火山发生剧烈喷发。从6月12日出现喷发征兆，到15日演变为毁灭性大爆炸，灼热的岩浆与气体混合成火山碎屑流顺山坡倾泻而下，将山顶炸毁并留下2.5公里宽的巨坑。这场灾难造成800多人死亡，主要原因是雨水浸湿的火山灰压垮了房屋屋顶。但当时科学家及时部署仪器监测火山内部活动，并在预测到可能发生大喷发后提前下达疏散令，成功让25万居民逃离险境。
虽然当年科学家挽救了大量生命，但那次预测更多是基于经验的推测，无法准确判断喷发的具体时刻与后续演变。美国地质调查局黄石火山观测站的 Mike Poland 指出，现代火山学在过去30年间取得了重大飞跃，监测设备更加先进，机器学习大幅提升了数据分析效率，人类对地下岩浆管道的理解也日益深入。全球有大约8亿人生活在活火山周围100公里范围内，预测火山活动对人类安全至关重要。
然而，预报火山比预报天气要困难得多。布里斯托大学的 Jenni Barclay 解释说，大气层始终暴露在外且易于测量，而岩浆深藏于地壳下方数公里处，大多数活火山每隔数十年才喷发一次。每座火山都有独特的地下结构、岩浆化学性质与喷发诱因，引发喷发的因素包括压力、气体含量和板块运动等。德国GFZ赫姆霍茨地学研究中心的地质学家 Marius Isken 表示，地质系统虽然混乱，但其中依然隐藏着规律。
目前科学家可以通过地震仪检测岩石破裂，利用卫星和地面传感器追踪地表变形，或者使用气体探测器捕捉挥发气体。但东英吉利大学的 Jessica Johnson 强调，即便火山出现异常活动，最终演变成实际喷发的概率也仅有50%。此外，某些火山还会发动突袭，例如地下高压水被岩浆加热后引发蒸汽爆炸，这种爆炸几乎没有任何预兆。在蒙特塞拉特岛，苏弗里埃尔火山在1997年发生大喷发前曾出现小型喷发，最终将小镇掩埋在9米多深的泥灰中。
对于频繁喷发的火山，科学家已能实现短期精准预报。佛罗伦萨大学的 Maurizio Ripepe 表示，对于斯特隆博利和埃特纳火山，系统可以在喷发前数小时发出预警。冰岛大学的 Tom Winder 指出，在夏威夷基拉韦厄火山和冰岛雷克雅内斯半岛，科学家能以1小时左右的精度锁定岩浆喷出的位置。但对于大多数火山而言，1小时的预警时间不足以让居民安全撤离。
要提高预测精度，必须破解岩浆库物理机制这一核心谜题。卡内基科学研究所的 Diana Roman 表示，不同火山之间必然存在通用的物理规律。目前科学家已将流体力学的纳维斯托克斯方程和热传导方程应用于喷发后的熔岩流与火山碎屑流预测。然而，要预测喷发何时开始，则必须掌握地壳下方的物理过程。
在加勒比海地区，由布里斯托大学主持的 Ex-X 项目正在研究圣文森特岛的拉苏弗里埃尔火山，该火山在2020年12月挤出粘稠熔岩后，随后爆发了猛烈的火山碎屑流。研究人员布设了大量地震仪与光纤电缆，并结合机器学习算法捕捉微小的地震信号。此外，实验室也在模拟极端的岩浆形成环境，冰岛的克拉夫拉岩浆测试平台则计划直接钻探至地下岩浆深度进行现场观测。
加州理工学院的 Zach Ross 指出，通过对大量火山进行长期监测并结合机器学习，科学家有望提炼出基础物理定律，构建出通用的火山模型。将富士山等火山的地震活动、化学成分和变形速率输入模型后，便能预测未来的喷发时间与形式。虽然这种跨学科的大型研究项目仍需要数十年时间的积累，但它为人类从被动应对走向主动预警指明了方向。
原文：https://www.wired.com/story/physics-predict-volcanic-eruptions/