借助对物理学的更深入理解，我们有望预测火山爆发

# 若能更深入地理解物理规律，我们或可预测火山喷发 来源：https://www.wired.com/story/physics-predict-volcanic-eruptions/ ## 科学家如何有朝一日像预测天气一样预测火山喷发 这需要对地下物理过程有更深入的理解，但火山学家相信这或许可能实现。 若能更深入地理解物理规律，我们或可预测火山喷发 图片-插图：*Quanta Magazine* 提供 *本文最初版本*（https://www.quantamagazine.org/will-we-ever-be-able-to-forecast-volcanic-eruptions-like-weather-20260508/）*发表于*Quanta Magazine (https://www.quantamagazine.org/)*。* 1991年夏天，菲律宾的皮纳图博火山自我毁灭。喷发始于6月12日，三天后以一场巨大的爆炸（https://www.wired.com/story/how-to-escape-from-erupting-volcano/）达到高潮。当火山碎屑流——炽热的熔岩和气体雪崩——沿着它被炙烤过的山坡奔腾而下时，皮纳图博的山峰已被摧毁，取而代之的是一个宽2.5公里的火山口。 这次喷发导致超过800人死亡，主要是因为被雨水浸透的灰烬压垮了屋顶。但它本可能（https://www.usgs.gov/news/featured-story/remembering-mount-pinatubo-25-years-ago-mitigating-a-crisis）严重得多：大约25万人，分布在多个城市和一个庞大的美国空军基地，生活在火山的阴影之下。当皮纳图博在同年4月开始震动并喷出蒸汽时，来自美国和菲律宾的科学家部署了一系列仪器来追踪火山的（https://www.wired.com/story/a-new-tool-for-eruption-forecasting-carbon-catching-drones/）内部动荡。 “我们对那座火山知之甚少，因此进行了一次非常迅速的地质评估。评估结果是，‘糟糕，这家伙一旦喷发，只会是大喷发’，”现任美国地质调查局（USGS）黄石火山观测站负责人的科学家迈克·波兰说。“这成为了预测的基础。” 到6月初，灰烬和熔岩正从皮纳图博的侧翼逃逸，于是下达了疏散命令，距离灾难性的重击仅有几天。换句话说，这是一次非常惊险的遭遇。 那些科学家拯救了无数生命，但他们的预测与其说是一个精确预报，不如说是一个有根据的猜测。它完全不像天气预报；他们无法以任何接近确定的语气断言6月12日会发生爆炸性喷发，也无法预测那次喷发的演变过程。 除极少数例外，这种不精确性对于所有（https://www.wired.com/story/scientists-spy-on-mount-etna-with-fiber-optic-cables/）监测完善的火山都是如此。但火山学作为一个领域，自皮纳图博爆发以来已经取得了巨大飞跃。仪器设备更先进了，机器学习使数据解读效率大大提高，科学家们也对驱动火山活动的岩浆管道系统有了更好的理解。这让我——作为一名受过专业训练、如今经常撰写该领域文章的火山学家——不禁思考：我们距离像预测天气那样预测火山行为还有多远？ 在这张获奖照片中，摄影师阿尔贝托·加西亚捕捉到一辆卡车正逃离菲律宾皮纳图博火山灾难性喷发的场景。 Photograph: Courtesy of Quanta Magazine/Alberto Garcia今天，我们知道一场特定规模的风暴将在几天后袭击某个特定城市。科学家们有朝一日能否说，一周后，某座火山有80%的几率以某种特定方式喷发——熔岩喷涌，具有某种爆炸力，火山碎屑流将沿着其西坡流下？我四处询问，发现既有怀疑态度，也有令人惊讶的乐观程度。“简短的回答——否则我不会从事这一行——是的，”华盛顿特区卡内基科学研究所的火山学家戴安娜·罗马说。 尽管观天者（https://www.wired.com/story/get-ready-for-a-year-of-chaotic-weather-in-the-us/）预测天气已有数千年历史，但当代科学的天气预测是（https://science.nasa.gov/earth/earth-observatory/weather-forecasting-through-the-ages）近期的发明：奠定这些模型基础的首批数学方程是在20世纪初推导出来的。如今，气象学家可以面对一个混乱的系统——地球的大气、海洋和地形——并做出长达两周的准确预测。 天气比火山活动影响更多的人——实际上是所有人，时刻都在影响——但大约有8亿人（https://pubs.usgs.gov/publication/70148718）生活在距离活火山100公里范围内，而且一些（非常罕见的）喷发也会影响整个地球。天气和火山活动都是我们希望理解的复杂系统，但它们在预测方面带来的问题却不尽相同。 “[火山]与天气预报的一个主要区别是，天气总是在发生，”英国布里斯托尔大学的火山学家珍妮·巴克利说。大气层对气象学家来说是持续可见且可测量的。“即使他们也会说需要更多观测。”而岩浆则位于地壳以下数公里处，而且活火山最多也就每隔几十年喷发一次。 每座火山也是独一无二的。将岩浆输送到地表的地下通道（https://www.wired.com/story/scientists-map-yellowstones-plumbing-with-a-helicopter/）的结构、岩浆的化学成分、喷发的节奏以及喷发类型的组合都因地点而异。而且喷发并非只有一个触发因素。岩浆库的温度和压力、围岩的薄弱程度、气体和晶体含量、岩浆的深度、构造板块的区域运动——这些因素都共同决定了一场爆发是会发生还是逐渐平息。 “地质学是混沌的，”德国波茨坦亥姆霍兹地球科学中心的地球物理学家马里乌斯·伊斯肯说。但混沌之中蕴藏着秩序。我们能找到它吗？ 意大利国家地球物理与火山学研究所的一名火山学家正在安装重力测量站，以测量西西里岛埃特纳火山内部的岩浆运动。 Photograph: Courtesy of Quanta Magazine/Tom Pfeiffer/Alamy 我将火山想象成一个由数百种不同乐器组成的管弦乐队。预测喷发并非关乎听到音乐。我们已经在做这件事了：地震仪感知岩浆上升时岩石的破裂；地面传感器和卫星可以追踪地壳的移动，指示岩浆的流向；气体探测器揭示岩浆上升到浅层、减压并释放有毒气体的时刻。 挑战在于在交响乐开始前很久就知道它将如何发展到高潮。如今，在监测最全面的火山上，火山学家通常能提供的最好结果不是预测，而是一种高度的警惕。警报系统——包括美国地质调查局（https://avo.alaska.edu/volcano/alertLevels）使用的系统——通常会在火山表现出加剧或升级的不稳定迹象时通知公众。但这并不意味着喷发迫在眉睫。“只有50%看起来像要喷发的火山不稳定情况最终会演变成喷发，”英国东安格利亚大学的地球物理学家杰西卡·约翰逊说。 另一方面，一些火山即使被仪器层层包围，也喜欢伏击我们。地表下困住的高压水囊可能被附近的岩浆加热。如果那个水囊破裂，就会发生危险的蒸汽爆炸，进而释放出被困的岩浆。这种类型的喷发通常没有任何可察觉的预警信号，就像在埋藏的炸药山旁边引爆了一枚地雷。 加勒比海蒙特塞拉特岛上的苏弗里耶尔火山的小规模喷发发生在1997年破坏性大喷发之前。 Photograph: Courtesy of Quanta Magazine/Peter Cripps/Alamy Stock Photo 如果一座火山在几个喷发周期内被研究过，就能获得更多预测细节。在某些山峰，例如定期喷发熔岩喷泉的意大利斯特龙博利火山和埃特纳火山，科学家可以（https://www.nytimes.com/2021/05/04/science/stromboli-volcano-photos.html?fbclid=IwAR01kqtmEcgB3To0rm6T9AAOLsRGE2f7lneoSs-WJvRINNXRFTECXYyHjSY）自信地预测喷发。“我们的系统可以告诉我们，火山在几小时内就会喷发，”佛罗伦萨大学的地球物理学家毛里齐奥·里佩佩说。 利用地震学和地面形变测量，其他火山（包括夏威夷的基拉韦厄火山（https://www.nytimes.com/2021/11/09/science/kilauea-volcano-eruption.html?referringSource=articleShare）和冰岛雷克雅内斯半岛上的火山（https://www.quantamagazine.org/inside-scientists-life-saving-prediction-of-the-iceland-eruption-20240220/)）的科学家可以以惊人的精度追踪岩浆在地下的迁移，从而确切知道它将在哪里以熔岩形式出现，误差大约在几小时之内。但冰岛大学的火山地震学家汤姆·温德说，这种精确的预测“相对罕见”。这些是频繁活动的火山，不太可能产生重大的爆炸性事件，周围社区的人们通常知道要警惕它们。在大多数其他情况下，最早的预警时间——可能喷发前一小时左右——并不总是足以让人们安全撤离。 预测喷发是一项艰巨的任务，因为火山不能简化为简单的模型。它们是巴洛克式的地质怪兽，拥有隐藏的、迷宫般的管道系统。二十年前，在我地球科学本科的第一年，一位讲师告诉我，预测下一次重大喷发何时何地发生是白日梦——言下之意是火山过于独特多变，彼此之间几乎没有共通之处。即使在当时，这种说法也感觉不对。毕竟，它们都是巨大压力和热量的容器。它们的原理图可能不同。但熔岩流经所有火山，最终，某个地方会破裂、断裂并爆发。 有许多迹象表明圣海伦斯火山将在1980年喷发，但喷发的形式出乎意料。这次事件促使美国开发了更复杂的监测系统。 Photograph: Courtesy of Quanta Magazine/J Marshall—Tribaleye Images/Alamy Stock Photo 我与之交谈的每个人都认同，科学家们仍然需要破解火山预测难题中的一个关键部分。“我们甚至还没有完全理解（https://www.quantamagazine.org/seismic-data-helps-scientists-forecast-volcanic-explosions-20210601/）背后的物理原理，”罗马说。是什么导致岩浆库从稳定状态转变为灾难性破裂？ “它们必须有共享的物理规律，”她说。如果那些底层方程能被发现，或许我们可以将它们应用于所有火山，并输出能以高准确度告诉我们下一次喷发何时到期以及可能是什么样子的数值。 科学家已经确定了其中一些控制方程，但它们只在喷发开始后适用。利用一个多世纪的观测数据，研究人员基本上推导出了火山灾害——特别是熔岩流和火山碎屑流——的物理学原理。例如，描述各种流体如何运动的纳维-斯托克斯方程（https://www.quantamagazine.org/tag/navier-stokes-equations/）已成功应用于这两种灾害，而热方程（http://www.damtp.cam.ac.uk/user/dbs26/1BMethods/Heat.pdf）则揭示了这些火山流体如何以及何时冷却。如今，它们使专家能够针对特定火山预测喷发物将在何处涌出、不同类型的流体会到达多远以及这一切将发生得有多快。 这项工作拯救了生命，但它只是预测难题的一小部分。用我们的天气类比来说，这就像在说，“一旦开始下雨，我们就能预测哪些流域可能会发生洪水，”波兰说。要知道风暴何时开始，需要深入理解岩浆库的地下物理过程。 目前，喷发预警基于对可测量地球物理信号中模式的识别，例如喷发前地震活动的加剧。但如果模式不一致（这种情况经常发生），仅仅相关性不足以进行预测。“我们正在做的是研究其中的因果关系……以理解物理原理，”约翰逊说。“如果你理解了这些模式的含义，[那么]当这些模式改变时，我们就不会那么束手无策了。” 约翰逊是一个名为Ex-X：预期意外（https://dangerousvolcanoes.org/）的新项目的成员，这是一个由布里斯托尔大学领导的多学科项目，旨在研究危险火山升级的驱动因素。研究人员专注于东加勒比地区的火山，这些火山喷发相对频繁，并能从溢流式、富含熔岩的喷发迅速转变为突发的、灾难性的爆炸式喷发。圣文森特岛上的拉苏弗里耶尔火山最近提供了一个例子：2020年12月，该火山开始喷出粘稠的熔岩块，持续了数月。随后多次爆炸将火山碎屑流抛向山坡。 1991年皮纳图博火山喷发在其曾经的山顶留下了一个宽2.5公里的火山口。现在是皮纳图博湖。 1991年皮纳图博火山喷发在其曾经的山顶留下了一个宽2.5公里的火山口。现在是皮纳图博湖。 Photograph: Courtesy of Quanta Magazine/T. J. Casadevall/US Geological Survey 作为这项工作的一部分，数百台地震仪以及光纤电缆网络将被用于记录宁静期和不稳定期即使是最微小的地震。这项监测工作将得到机器学习程序的帮助，这些程序将被训练来识别这些火山地震声景中的微小变化。近年来，这些程序已被用于处理海量数据，其熟练和高效程度远超科学家单独所能及。这项工作已经揭示了火山下方无数先前隐藏的岩浆通道，同时也使科学家能够几乎实时地追踪在地壳中奔涌的岩浆。 Ex-X项目旨在前所未有的细节上，了解岩浆行为或位置的微小变化如何导致喷发。这些见解反过来又可以揭示一些基础的物理原理。所有这些加勒比海火山，尽管可能各不相同，但可能共享一套流体动力学方程。 然而，仅靠地震学是不够的。“我们缺乏对岩浆房中究竟发生了什么的物理理解，”波兰说。是什么导致了岩浆体内不可阻挡的气泡成核，从而像汽水罐一样嘶嘶作响地推动炽热、上浮的岩浆穿过上方的地壳？什么样的熔岩、晶体和气体组合已准备好触发喷发？是什么驱使喷发从喷涌缓慢的熔岩转变为将灰烬和岩石轰入天空？ 地球化学对这项努力也至关重要。如今，科学家们……