比烟民更会吐烟圈,这些火山拥有一张“完美的嘴”

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位于意大利的埃特纳火山(Mount Etna)是全球少数能喷出烟圈的火山之一，这种现象被称为火山漩涡环。｜摄影：FABRIZIO VILLA，GETTY IMAGES

从雷鸣般的碎屑流到灼热的熔岩流，火山以其猛烈的喷发而闻名。

但平静时也同样令人敬畏，比如沸腾的火山口懒洋洋地向天空吐出一连串烟圈。在过去几天里，意大利埃特纳火山一直在做这件事。
每个目睹了这一奇观的人都想知道：火山到底如何制造烟圈？ 为什么只有少数火山能够吐烟圈？

神秘的火山“烟圈”

历史经验表明，这种“幽灵”一直出现在世界各地的某些火山中，但其形成原因并不清楚。尽管这些烟圈可以达几百米宽，但寿命短暂且不可预测，这使得研究成了难题。
但在2019年，由法比奥·普维伦茨(Fabio Pulvirenti)领导的一组科学家——当时是美国宇航局(NASA)喷气推进实验室的高级研究员，现在中国河南理工大学任职——决定在电脑上模拟它们。




一系列红外图像记录了在亚苏尔火山(Mount Yasur)上空形成并消散的烟圈。｜BEN SIMONS

他们的研究结果发表在2023年的《科学报告》(Scientific Reports)杂志上，揭示了这些烟圈的形成与吸烟者吹烟圈，以及烟雾炮玩具通过狭窄的圆形开口的方式大致相同。

这三种方法都需要收集大量的蒸汽，然后迅速排出，形成一个完整的烟环。它看起来神秘，但都归结于一些非常简单的物理学。




这些烟圈可以达几百米宽，但寿命短暂且不可预测。｜BEN SIMONS

火山烟圈主要是水蒸气
意大利国家地球物理与火山学研究所(National Institute of Geophysics and Volcanology)的火山学家鲍里斯·贝恩克(Boris Behncke)解释说，尽管名字叫火山烟圈，但它却不是烟构成的。相反，这种烟圈主要由凝结气体——水蒸气构成，它们从岩浆中逃逸而出，并被火山口挤了出来。强风可以阻止烟圈的形成。但在没有强风的情况下，由大量火山蒸汽形成的烟圈——比周围的空气更温暖，密度更小——可以漂向天空，并开始膨胀。最终，当火山释放出大部分蒸汽时，烟圈就会从视线中消失。但似乎只有一些火山能够形成烟圈，而且只在特定的时间。2013年，当普维伦茨第一次听说它们时，他发现科学文献没有提供任何实质性的答案。最终好奇心驱使他招募了一些同事，试图揭开这个谜团。研究小组仔细研究了大量关于火山烟圈的观察资料，观察它们上升的高度、移动的速度、冷却的速度、成分的变化以及灰烬的含量。科学家们还研究了岩浆气体是如何通过火山管道迁移和逃逸的，他们还深入研究了流体中涡旋形成的复杂物理现象。这些都是从实验室实验中收集来的。
然后，他们把所有从实验室收集来的数据都输入了一个计算机模型中，通过调整火山管道内的压力以及模拟火山口的几何形状，研究小组得出了形成烟圈所需的条件。

完美的火山口
火山烟圈形成的两个条件是：不那么黏稠的岩浆，以及一个相当圆的火山口。符合条件的完美火山并不多。当岩浆通过管道上升时，周围的压力会下降，岩浆中的小气泡以像潜水艇一样在其中浮动。如果岩浆不太粘稠，气泡可以合并成单个的加压气袋。当它们接近喷口时，这些气体袋会剧烈地减压并爆炸，推动水蒸汽向上运动，有时还会以近乎超音速的速度。从火山口喷出的蒸汽沿着火山岩石边缘卷起，当卷起的蒸汽环遇到寒冷的大气时，它会冷却、减速、凝结，变得清晰可见，类似飞机的尾迹。

火山烟圈的动态画面｜Pinterest

关键是，要形成烟圈，火山口必须是相当圆的，火山口的边缘必须高度相同。如果火山口形状太不规则或破碎，环可能会严重扭曲、不稳定，或者根本不会形成。

新西兰奥克兰大学(University of Auckland in New Zealand)的火山学家本杰明·西蒙斯(Benjamin Simons)在几个持续活跃的火山上看到了烟圈，包括亚苏尔火山(Mount Yasur)。

他说，他看到的大多数烟圈是从“天窗”逃出来的，“天窗”是位于火山口上方的近乎圆形的自然开口，向下面是“美丽的岩浆”。

当小股火山气体被迫通过这些狭窄的开口时，烟圈就出现了。普维伦茨的计算机模型的结果与西蒙斯自己的观察相吻合。开口越圆，“越有可能产生烟圈，”他说。

普维伦茨的模型解释了为什么不是每座火山都可以看到烟圈，因为烟圈需要如此精确的条件——一张近乎完美的“嘴”才能形成。

然而，即使满足了这些条件，烟圈也不总是出现，火山内部气体比我们目前知道的要混乱。

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撰文：Robin George Andrews

编译：Arvin

版式设计：Arvin
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