一个动画显示了利用三颗气象卫星的数据计算出的喷发高度。图源:Simeon Schmauß /日本气象厅/韩国气象厅/国家海洋和大气管理局
牛津大学研究人员领导的一项新分析表明，2022年1月的洪加汤加-洪加哈帕帕火山爆发创造了有记录以来最高的火山羽流。在57公里(35英里)高的地方，由喷发产生的火山灰云也是第一个在中间层观测到的，中间层是大气层中通常与流星有关的一层。
利用卫星捕捉到的图像，研究人员已经证实，Hunga Tonga-Hunga Ha 'apai火山在2022年1月的喷发产生了有史以来最高的羽流。这次巨大的喷发也是第一次被直接观测到，它突破了大气层的中间层。牛津大学物理系和RAL空间系的一组科学家的研究结果发表在11月3日的《科学》杂志上。
2022年1月15日，东加群岛的海底火山Hunga Tonga-Hunga Ha ' apai南太平洋的颜安群岛，猛烈喷发。这是迄今为止观测到的威力最大的一次爆炸，在世界各地引发了冲击波，并引发了毁灭性的海啸，导致数千人无家可归。一个由火山灰和水组成的高耸圆柱被喷射到大气中，但直到现在，科学家们还缺乏一种精确的方法来测量它到底有多高。
日本的喜华8号卫星所看到的完整的地球圆盘，火山喷发在右下方。图片来源:西蒙·普劳德/牛津大学，RALSpace NCEO /日本气象厅。
通常，通过红外卫星测量火山顶部记录的温度，并将其与参考垂直温度剖面进行比较，就可以估计出火山羽流的高度。这是因为在对流层(地球大气的第一层和最低层)，温度随着高度的增加而降低。但是，如果喷发非常大，以至于羽流渗透到下一层大气(平流层)，这种方法就会变得模糊，因为温度会随着高度再次升高(由于臭氧层吸收了太阳紫外线辐射)。
由NOAA GOES-17气象卫星记录的2022年1月15日洪加汤加洪加哈帕帕火山爆发的放大视图。图片来源:Simon Proud和Simeon Schmauß /牛津大学，RALSpace NCEO / NOAA
为了克服这个问题，研究人员使用了一种新的方法研究了一个叫做“视差效应”的现象。这是指从多条视线观察物体时，物体位置的明显差异。闭上右眼，伸出一只手，拇指朝上，你就能看到这一点。如果你切换眼睛，让你的左眼闭上，右眼睁着，你的拇指就会在背景的衬托下出现轻微的移动。通过测量这种明显的位置变化，并将其与眼睛之间的已知距离结合起来，就可以计算出到拇指的距离。
这是日本的Himawari-8号卫星在国际标准时间2022年1月15日04:10拍摄的火山喷发的放大视图，大约在火山喷发开始10分钟后。图片来源:西蒙·普劳德/牛津大学，RALSpace NCEO /日本气象厅
汤加火山的位置被三颗地球同步气象卫星覆盖，因此研究人员能够将视差效应应用到这些卫星捕捉到的航空图像上。至关重要的是，在火山喷发期间，卫星每10分钟记录一次图像，使羽流轨迹的快速变化得以记录。
结果显示，烟羽的最高高度达到57公里(35英里)。这明显高于之前的记录保持者:1991年菲律宾皮纳图博火山(最高点40公里/ 25英里)的喷发，以及1982年墨西哥Chichón火山(31公里/ 19英里)的喷发。这也使羽流成为首次观测到的现象没有证据表明火山喷发将物质从平流层直接注入中间层，而中间层从a开始距离地球表面约50公里(31英里)。
这是日本的Himawari-8号卫星在国际标准时间2022年1月15日04:50拍摄的火山喷发的放大视图，大约在火山喷发开始50分钟后。图片来源:西蒙·普劳德/牛津大学，RALSpace NCEO /日本气象厅
“这是我们第一次记录火山羽流到达中间层。19世纪的喀拉喀托火山可能也做到了这一点，但我们没有看到足够的细节来证实这一点，”西蒙·普劳德博士说，他是牛津大学国家地球观测中心的高级科学家，也是科学和技术设施委员会的RAL太空设施。
普劳德补充说:“这是一个不同寻常的结果，因为我们以前从未见过这么高的云。”“此外，只有在我们有良好的卫星覆盖的情况下，才有可能像我们那样(使用视差法)估计高度。这在十多年前是不可能的。”
2022年1月15日国际标准时间05:40，在火山喷发开始约100分钟后，由日本的喜华8号卫星拍摄的火山喷发放大视图。图片来源:西蒙·普劳德/牛津大学，RALSpace NCEO /日本气象厅
牛津大学的研究人员现在打算建立一个自动化系统，利用视差法计算火山柱的高度。
来自大气、海洋和行星物理子部门的合著者Andrew Prata博士补充说:“我们也想把这项技术应用到其他喷发，并开发一个羽流高度的数据集，可以被火山学家和大气科学家用来模拟火山灰在大气中的扩散。我们想进一步了解的科学问题是:为什么汤加的羽流升得这么高?这次火山喷发对气候有什么影响?那羽毛究竟是由什么组成的呢?”
除了牛津大学，该研究还涉及了卢瑟福阿普尔顿实验室和位于哈韦尔的国家地球观测中心，以及慕尼黑应用科学大学。
用于捕捉和评估喷发的三颗卫星是GOES-17(美国)、Himawari-8(日本)和GeoKompSat-2A(韩国)。这些开放获取的数据由英国科学技术设施委员会卢瑟福阿普尔顿实验室的贾斯明超级计算机处理。
