火山灰静电悬浮进入电离层及其对气候的突然影响|j9·九游会游戏

火山火山爆发有可能对环境、气候和人类产生全球性影响，比如有一种众说纷纭，坦博拉（Tambora）火山爆发是拿破仑在滑铁卢战役中败北的原因之一。火山爆发期间产生的火山爆发柱由火山灰和气体构成，可以在火山爆发口上方数公里处到达平流层（10-50km），并在那里通过大气环流向全球蔓延。例如1991年菲律宾皮纳图博火山火山爆发产生的火山灰云在将近一个月的时间内就环绕着了地球（Oppenheimer，2012）。

流经平流层的大量含硫气体和灰尘颗粒，相当大一部分在几天内消失，其余的则转化成为硫酸和水的混合物，以微小颗粒的形式不存在，它们在平流层的停留时间可以宽约一年，引发光学效应并衍射太阳光，从而对气候产生加热效应。火山爆发能对地球低层大气导致深刻印象而持久的影响，那么它能影响中高层大气甚至电离层吗？近期，伦敦帝国理工学院地球科学与工程系研究人员Genge在Geology上公开发表封面文章（图1），明确提出了一种火山爆发影响全球电离层的新机制——火山爆发柱的电荷引发火山灰的静电漂浮，造成直径500nm的火山颗粒转入电离层，并在100s的时间尺度上阻碍电离层。

图1Geology第10期封面传统观点指出，平流层的逆温效应妨碍了对流下降，因此火山涌出的火山灰会对高层大气产生根本性影响。然而，爆发性火山火山爆发期间频密再次发生的火山雷电现象指出，火山爆发柱具有明显的电荷（图1）。

Lane和Gilbert的观测及模型指出火山灰一般来说带上负电，而火山气体一般来说带上正电，灰与气体不受对流和风的影响再次发生物理分离出来，从而产生大净电荷。因此，爆炸性火山火山爆发可以视作一个发电机和电荷分离器，电荷的火山灰颗粒与具备完全相同极性的净电荷的喷发物之间因为静电相互作用而产生漂浮。

颗粒的动态仿真结果如图2右图，直径为50nm、100nm和500nm的颗粒，从火山爆发柱（～10库仑清净电荷）通过对流下降到50km高度后，可以在约2小时内，分别超过110km、90km和60km的高空。大型火山只要火山爆发的时间较长（如1991年皮纳图博火山火山爆发的高潮期为9小时），而漂浮颗粒在这段时间内维持电荷，它们就有充足的时间到达仅次于高度。当然，由于与大气中的正离子再次发生起到，火山颗粒的电荷不会再次发生肿胀，从而容许了漂浮时间。

基于气体动力学理论，电荷弛豫时间大约为100-1000s。大的爆炸性火山火山爆发产生的火山灰一般来说是硅质的，这种材质的电荷弛豫时间更加持久。图2仿真的50km直径的火山岩火山爆发柱上，直径为100nm（红色）、50nm（绿色）和10nm（灰色）的火山颗粒轨迹。

平流层中的灰点回应火山爆发柱内的点电荷，斜体字字回应超过峰值高度的时间。在几次火山爆发期间，科学家们都仔细观察到了全球尺度的电离层电流扰动，扰动随火山爆发的量级变化而变化。

虽然这种扰动可以从重力波的角度去说明，但它们也可以说明为漂浮粒子的变化结果——静电漂浮将负电荷带进电离层，从而减少大气中的正离子密度。Genge的研究还明确提出了一个十分精致的观点，指出火山灰的静电漂浮有可能造成全球气候的短期变化。其主要机制是大气电场的明显毁坏以及电离层的短响应时间可能会在超级火山火山爆发期间阻碍云的构成，从而增加了全球的云层覆盖面积和降水。

当电离层恢复正常时，全球云团构成受到诱导，大气中H2O的含量减少，云层覆盖面积获得强化，造成降水减少。这一观点与一般来说指出由平流层气溶胶引发变化而造成的降水减少机制有明显区别。图3表明了1883年8月26日印尼喀拉喀托火山爆发后的气温数据和降水数据。

从喀拉喀托火山火山爆发前后的降水频率来看，8月22日至8月27日期间，记录降水的气象站数量最多（总共138个站点）。图31883年北美、欧洲、俄罗斯和澳大利亚47个站点测量的平均值最低和低于日气温（蓝线）。

橙色曲线表明记录降水的气象站数，它在1883年8月22-27日之间降到低于（间隔用实线垂直线回应）。以上研究成果为解读整个地球有所不同圈层的耦合明确提出了十分精致的观点，并从量级上估计了地表火山活动对整个上层大气圈导致的明显影响，文中的假设必须跨学科牵头以及更为详尽、精确的观测来证实。

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