爆炸科学

作为一个本科学生热衷旅行,我发现自己一个夏天的早晨散步Pacaya火山,在危地马拉最活跃的火山。我们爬过膝盖火山灰到达火山的火山口的边缘,我们的视线分成下面的熔岩池。天气非常热站在那里,恶臭的硫磺是压倒性的,我的小妹妹是大声质疑我的选择的安全活动,但无论我爱上火山开始了。

我不是一个人。每年数百万人参观活动和休眠火山,通过旅游和谋生的能力是最高的一个原因人们选择生活在阴影下的其中一个美丽的野兽。其他吸引包括大量的金属矿产开采和肥沃的土壤耕作。

但是,当然,火山一样喜怒无常他们是美丽的。和气体、火山灰、熔岩和泥石流造成他们的爆发已经导致死亡和毁灭。从维苏威火山AD79埋葬数千人在庞贝火山灰的毯子;在印尼坦博拉火山爆发的巨大1815直接造成超过10000人死亡(见硫酸盐气溶胶和summar不是);Sinabung山在印尼的火山灰和天然气十几人死亡和2014年至少7 2016年5月。

——2015年UN-commissioned报告全球火山灾害和风险——发现,全世界有超过2930万人生活在10公里的火山活动在过去的11700年里。超过860万的在印尼,一个国家目前拥有130活跃的火山。

但是,住在附近接近火山可能爆发的不一定是在当今世界本身有危险。“你可以检测动乱升级提前数周甚至数月的火山爆发,“解释道苏先生英国地质调查局的负责人火山学。撤离计划应该能够提前很久了——尽管即将喷发的确切时间还不能准确预测。

不幸的是,世界上只有几百的大约1300潜在活火山通常监控。Loughlin先生解释说,这是成本。你需要人们保持设备一旦出来,需要有一个机构授权行动的分析监测设备。所有这一切需要承诺和治理结构等,所以它不是实现无处不在。也因为火山爆发很少,政府往往不高的优先级列表,和悲剧最大的和灾难性的爆发往往发生在火山没有爆发了很长一段时间。

气体监测

美国夏威夷岛是由五个火山,三是积极的。,基拉韦厄火山莫纳罗亚山和Hualalai火山的监视器,”解释了杰夫•萨顿气体在美国地质调查局的地球化学家夏威夷火山观测站。基拉韦厄火山是最活跃的,自1983年以来已经连续爆发。莫纳罗亚山最后一次喷发是在1984年,和最近的爆发Hualalai结束于1801年。

大多数火山天文台使用四种不同的方法来监控火山活动:观察化学变化产生的气体和岩浆;测量地震活动由于岩浆移动表面下;映射的性质和程度上的熔岩流表面上;和学习微妙地表变化发生在岩浆上升到表面。没有一个其中一个是一个神奇的子弹检测当火山爆发迫在眉睫。这有点类似于人类病人诊断;你检查生命体征:温度、心率、呼吸等预后前,”萨顿说。

数量和类型的气体被火山释放给科学家们很好地理解任何深处的岩浆运动。当岩浆深处,说地球表面以下60或80英里,这是压力的气体溶解在其中,萨顿解释道。当岩浆出现接近表面的压力的降低,这些溶解气体可以开始沸腾的融化。“简单,增加气体的火山表明岩浆正在向地表上升。

火山气体监测的哲学是你进行常规测量和建立你的背景数据,然后你看着偏离典型的水平,”解释道布拉德•斯科特,火山学家GNS科学,新西兰的公司,负责监控的12个活火山。

气体监测有很多不同的形式,但一个标准的方法是使用紫外光谱法远程监测二氧化硫卷被释放。这是最简单的三个主要的火山气体测量,其他人是二氧化碳和水,因为它不是自然存在于大气中。

不同的气体都有不同的溶解度在岩浆

杰夫·萨顿

我们使用一个小型紫外光谱仪的波长调谐的光能量吸收二氧化硫,”萨顿说。我们把这个车的屋顶上,然后驱动下,通过的气体烟羽沸腾的融化。这是在每周的平均水平。仪器还可以绑在一架直升机,飞羽下,如果土地使用权问题。

近年来我们还安装了一个网络,这些小型光谱仪的地方通常顺风基拉韦厄火山的喷发峰会发泄,”萨顿说。“10光谱仪串在羽流轨迹和正交。随着羽毛拂过他们测量二氧化硫上面。我们使用这些数据来重建柱横截面气体浓度。我们获得的数据从这些工具每天大约8.30点直到下午5点。

新西兰有一个非常类似的设置监控其气火山,斯科特说。但是而不是一架直升机,他们有一个特别适应飞机富含气体的测量设备。而且不只是二氧化硫空中时,他们正在寻找。密切关注其他物种的火山气体以及它们之间的比例,更多的信息不仅仅是岩浆是否可以确定移动。的气体都有不同,不同的熔体中溶解度;真的帮助我们辨别可能发生深度,”萨顿说。为此,傅立叶变换红外光谱法是支持远程监控技术。斯科特的团队也直接气体监测,收集样本高温火山(或喷口)色谱分析回到实验室。

高度冰岛火山岛,气体监测还用于观察火山不产生气流。的一个项目我们目前所做的是监控从赫克拉火山火山周围土壤的二氧化碳排放量。这是一个每个人都预计将即将爆发的火山,Loughlin先生说。的英国地质调查局支持冰岛气象局三十多座火山监测活动。的二氧化碳排放扩散在相当广泛的领域,这样你就可以发现它只是通过地面上来。其他地方你可以和其他气体探测地下水,所以我们也再次监测地下水和它是关于寻找变化可能给我们线索时,赫克拉火山喷发之前转换成一个动荡阶段。”

岩浆的化学

另一种方法得到的线索是怎么回事深处一座火山是直视岩浆的化学组成。这可以通过铲起一些岩浆,岩浆的火山逃出来,通常是超过1000°C,来自一个活跃的火山或通过研究火山岩(岩浆冷却)。

岩浆熔融的岩石,它还包含溶解气体和晶体的解释道凯特•桑德斯岩浆火山学家,专门从事化学在英国爱丁堡大学的。岩浆和晶体内部有不同的化学特征,可以用于指示在什么深度形成和条件已经被上升到水面。“岩浆修改时上升到地表。有很多流程可能发生,例如晶体可以成长,岩浆可以融化周围的岩石,然后材料纳入岩浆。如果我们看一下化学的岩浆,岩浆的不同组件,我们可以开始工作过程发生在地壳和理解正在发生的事情,”桑德斯说。在实践中,这意味着测量低浓度的金属和稀土元素在岩浆中。

真是一种岩浆可以容纳更多的水

凯特•桑德斯

桑德斯的研究重点是分析火山岩的化学足迹过去的火山爆发,帮助未来的火山喷发的终极目标预测。这是很典型的,例如,对于一座火山进入动荡不安的状态,然后回落又睡着了。为了避免不必要的疏散,或更糟糕的冷漠对预警信号,更好地了解火山的历史行为模式将使火山学家能够更好地预测今天如何表现。

桑德斯正在探索的秘密大约16个印度尼西亚的苏门答腊岛上火山;这包括2016年5月负责致命喷发之一。“山Sinabung喷发频繁在过去的几年里。这是一座火山,印度尼西亚列为休眠,没有喷发的迹象显示在过去的400年左右,”她说。然后突然开始爆发。没有监控,火山上或背景。已经闯入了地质记录,我们可以开始看到前面发生了什么和如何为未来的喷发可能是有用的预测。

研究岩石化学的洞察力的岩浆在火山还可以帮助预测什么类型的火山喷发会有如果有一个。火山喷发的风格往往取决于有多少溶解气体在岩浆和这反过来取决于它的化学成分。“真的一种岩浆可以容纳更多的水,例如,比铁——或者由于岩浆,”桑德斯说。

如果我们有岩浆与小溶解气体会爆发很被动,你得到熔岩流。真正有问题的是当我们得到大量溶解的气体压力,因为他们都在地下。如果压力突然移除,你突然得到这么大,真的爆发,和你有更多的气体,炸药就越多。产生的火山灰也当一个否则被动通过冰川火山喷发爆炸,由于其含水量。

遥遥无期

在爆炸的力量逃脱气体打破了岩浆和推动它到大气中。在这里凝固成了碎片统称为火山灰。虽然研究灰的成分还可以提供洞察火山的内部运作,更多的是对了解其可能的影响是对农业、水、人类健康和飞机。

在通常非常肥沃的火山土壤;火山灰分解迅速释放营养物质,如铁和镁。当火山灰进入海洋,可以带来非常重要的营养物质的表面层海洋,”解释道Sigurdur Gislason大学的冰岛火山灰专家。例如铁促进固氮细菌和酶的生产能提高海洋生物的增长。

但这并不都是好消息。共同关心是矿物学组成,包括石英含量和细粒性质的火山灰可能危害人们的呼吸系统附近生活。也许最著名的火山灰在空中交通的负面影响。冰岛艾雅法拉火山的喷发在2010年欧洲空域关闭七天左右。虽然,现在认为反应过度,和程序现在已经改变了闭包的长度,减少火山灰对飞机的威胁是真实的。它也可能导致引擎失速和喷砂驾驶舱挡风玻璃。

酸化是另一个问题。火山灰的表面包含一个非常,非常细粒度的盐覆盖,厚约1海里或更少,“Gislason说。这种涂层形成当水蒸汽和气体压缩到火山灰在快速冷却,发生岩浆开除一个热火山寒冷的气氛。这些可以非常强烈的酸的盐如硫酸和盐酸,”他说。测试Gislason)的研究小组已经发现雪和地表水在冰岛火山的pH值2 - 3由于降尘。

气流可以有一个类似的酸化影响。的二氧化硫气体转换在氧气、水分和阳光酸硫酸盐气溶胶。这可以下雨的基拉韦厄火山的羽流,形成酸雨下风口处,”萨顿解释道。夏威夷岛上的许多人抓住雨从屋顶水来饮用。虽然没有直接危害饮用酸性降水,它已被证明在夏威夷浸铅和铜的金属屋顶和管道设备。的缓解策略到位后高浓度的铅被发现在人们的饮用水和血液在早期的基拉韦厄火山喷发。

气候变化

虽然硫酸盐气溶胶造成的酸雨是一个相对当地问题,这些粒子可以全球变冷对气候的影响。在印尼坦博拉火山爆发的致命的1815,例如,著名的1816年导致没有夏天的一年。

大爆发之后,下一个冬天是温暖的在北美

Alan Robock

硫酸的粒子出现白色的太阳光反射回太空。他们也可以分散一些阳光,所以他们让天空看起来朦胧起来减少阳光直射和漫射阳光。净效应是减少阳光到达地面,“解释道Alan Robock在美国罗格斯大学的气候学家。如果火山喷发是强大到足以把二氧化硫气体喷射到平流层,由此产生的硫酸盐气溶胶可以持续超过50倍低层大气中雨水洗出来。可以持续一年多的粒子在同温层,因此没有夏天的一年。

但冷却并不是唯一影响这些粒子对平流层,与气候有关的事情都不会那么简单。平流层的云也从地球上吸收热量和温暖平流层,”罗伯克说。热带大爆发后,如果有更多的加热在热带地区比在极地可以产生一个温度梯度使喷气流强。大爆发之后,下一个冬天是温暖的比平时在北美和欧亚大陆。这就是我们所说的冬季变暖,这是因为大气环流变了,它从海洋吹更温暖的空气在大陆。“亚洲和非洲的夏季季风变化也被观察到由于这些粒子改变陆地和海洋之间的温度梯度。

火山也排放二氧化碳气体众所周知的气候影响。从火山喷发的平均排放二氧化碳是大约1%的人类将在今天通过燃烧化石燃料。在气候变化方面,即使火山喷发释放一些二氧化碳,它们对冷却的影响多,大得多,”罗伯克解释说。

站在敬畏Pacaya火山顶部的那一天,很难看到之间的联系,另一个我的持久的爱:化学。但回想起来,我激动的重要作用化学是在帮助我们理解,因此走向更安全地享受,这些不稳定的野兽。

尼娜Notman位于索尔兹伯里的科学作家,英国