致命火山碎屑流在自身氣墊上滑動

2018年6月，瓜地馬拉的富埃戈火山爆發時，噴發出滾滾濃煙，夾雜著氣體、火山灰和岩石，沿著山坡傾瀉而下。在許多智慧手機影片中，爆發時湧出的碎屑看起來往往令人安心地遙遠——直到突然間，它不再遙遠。

火山碎屑流（正如它們被稱呼的那樣）為何能如此快速地移動，長期以來一直困擾著火山學家和災害規劃者，使火山活躍地區的社群面臨風險。然而，現在一項新的研究提供瞭解釋：流內部的力量產生了一個氣墊，使得大量的熾熱岩石像冰球在空氣曲棍球桌上一樣滑動。“這有點像碎屑流在極低摩擦力的東西上衝浪，”領導這項研究的紐西蘭梅西大學的火山學家格特·盧布說。

自制火山

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火山碎屑流——它可以以每小時超過 50 英里的速度噴射出灼熱的氣體、岩石和火山灰——以及密切相關的被稱為火山泥流的泥石流，導致了火山造成的一半死亡人數。它們突然發生，幾乎沒有預警，而且身處險境的人們根本不會想到，由高摩擦岩石顆粒組成的物質會像水一樣順暢快速地流動。

去年六月的富埃戈火山爆發說明了誤解火山碎屑流的危險性。熾熱的火山崩塌完全淹沒了聖米格爾洛特斯村，造成至少 200 人死亡。密歇根理工大學的火山學家魯迪格·埃斯科巴·沃爾夫說，在爆發之前，該鎮不被認為有直接襲擊的高風險，因為它相對遠離火山碎屑流的主要潛在通道，他沒有參與盧布的研究。“我在那座火山工作了很多年，我感到很驚訝，”他說。

埃斯科巴·沃爾夫和其他災害研究人員使用模型來嘗試預測碎屑流的去向和距離，以便繪製危險區域。但是他們無法直接測量碎屑流內部的物理特性，因為洶湧的火山岩和火山灰往往會摧毀路徑上的科學儀器。而且小規模的實驗室實驗並不能很好地模擬碎屑流。這意味著現有的模型遠非完美，使得火山附近的社群可能準備不足。

盧布和他的團隊決定看看擴大實驗規模是否能讓他們更好地瞭解正在發生的事情。他們使用了一個類似於激流勇進的系統，他們稱之為 PELE——火山碎屑流爆發大規模實驗的縮寫。水槽長 12 米，寬半米。利用懸掛在水槽上方的料斗，該團隊可以將多達 1300 公斤的加熱火山物質從斜坡上傾瀉而下，同時儀器測量壓力和溫度。

流動原理

研究人員使用了公元 232 年紐西蘭陶波火山爆發的物質，該火山噴發物散佈著豐富的浮石和火山灰資源，距離梅西大學只有幾個小時的車程，非常方便。他們將混合物加熱到 15 至 130 攝氏度的溫度。當他們跟蹤碎屑流沿水槽向下流動時，他們注意到，無論溫度如何，物質都迅速分離成兩層：一層是高達 4.5 米的彌散性火山灰雲，另一層是 0.8 米厚的緻密基層。

這個基層層掌握著火山碎屑流速度的秘密。盧布說，火山顆粒的快速運動在該層底部產生了強大的剪下力，這種剪下力將一些顆粒推向一個方向，而將另一些顆粒推向平行但相反的方向。剪下力導致了一個低壓區，該低壓區將氣體吸入，而不是讓氣體向上逸出碎屑流。這在火山碎屑流雲的底部形成了一個低摩擦力的光滑氣體層——這一層讓碎屑流真正地流動起來。

盧布和他的同事將他們的實驗結果輸入到火山碎屑流的計算機模型中，發現這種減摩機制也發生在真實世界的尺度和 400 攝氏度的溫度下。“這似乎讓我們非常有信心，它幾乎會在地球上每一種火山碎屑流情況下發生，”盧布說。

與該研究一同發表評論的阿蘭·伯吉瑟說，週一發表在《自然地球科學》上的這些發現是同類研究中的首例。伯吉瑟說，驅動潤滑過程的剪下力之所以顯現出來，只是因為實驗規模相對較大，“這解釋了為什麼直到現在才注意到氣墊”。

盧布現在正與建模研究人員合作，將這些新的物理原理新增到世界各地火山碎屑流的模擬中，以便他們可以將結果與歷史爆發中碎屑流的實際路徑進行比較。埃斯科巴·沃爾夫說，當地的細節很重要。例如，陶波火山灰與富埃戈火山的火山灰不同，真實世界火山碎屑流的溫度（也可能影響其行為）可能在 200 到 700 攝氏度之間變化。儘管如此，論文中的資訊可能對模擬未來的火山災害非常有用。“這個實驗可能無法涵蓋整個光譜，”埃斯科巴·沃爾夫說，“但它告訴我們一些基本的東西。”