瓦努阿圖的伊蘇爾火山口上方升起一個煙圈，這是新西蘭奧克蘭大學的研究人員在山頂上放置的紅外攝像機拍攝的。類似的煙圈曾出現(xiàn)于世界各地的火山上，但其形成原因一直是個謎。
從雷鳴般的火山碎屑流到灼熱的熔巖河，火山一直以猛烈的煙火聞名。然而，在火山安靜的時刻，有時也同樣令人敬畏，比如即將爆發(fā)的火山向天空中吹出一個慵懶的煙圈。
這種短暫的幻影曾在世界各地的多個火山上出現(xiàn)過，但目前科學家還不清楚其形成原因。雖然這些煙圈的直徑可達上百米，但其持續(xù)時間很短，而且難以預測，因此很難研究。這就是由Fabio Pulvirenti領導的科學家們決定對其開展研究并在計算機上進行模擬的原因，F(xiàn)abio Pulvirenti是NASA噴氣推進實驗室的高級研究員。
在這個由紅外圖像制作的動畫中，伊蘇爾火山的一個火山口噴發(fā)出數(shù)個煙圈。
本月早些時候，在新加坡舉行的亞洲大洋洲地球科學學會年會上，該研究團隊用虛擬火山做演示，表明“吸煙者嘴里發(fā)生的情況與火山內(nèi)部發(fā)生的現(xiàn)象基本上類似”，研究報告的合作者、意大利卡塔尼亞大學的火山學家Carmelo Ferlito說道。
煙霧和鏡子
盡管名為煙圈，實際上它們并非由煙組成，意大利國家地球物理和火山學研究所的火山學家Boris Behncke說，他沒有參與這項研究。實際上，這些“煙圈”主要由從巖漿中逸出和火山口噴出的冷凝氣體構(gòu)成，其主要成分是水蒸氣。
強風可阻止煙圈形成或持續(xù)太長時間。否則，大量火山蒸汽形成的“煙圈”會飄向天空并膨脹——火山蒸汽比周圍的空氣溫度更高、密度更小。最終，當“煙圈”散發(fā)出大部分蒸汽后，就會從視線中消失。
不過，似乎只有一些火山能形成煙圈，而且只在特定的時間出現(xiàn)。早在Pulvirenti 于2013年第一次得知“煙圈”時，他發(fā)現(xiàn)科學文獻并未給予實質(zhì)性的回答。因此，當好奇心強烈到讓他難以忍受時，他招募了一些同事，試圖共同解開這個謎團。
研究小組仔細閱讀了大量有關火山煙圈的文獻，調(diào)查其上升的高度、移動及冷卻的速度、構(gòu)成成分的差異以及含有灰塵的頻率。科學家們還進一步研究了巖漿氣體如何穿越和逸出火山通道，深入研究了實驗室中的液體漩渦形成的復雜物理過程。
一系列紅外圖像展示了伊蘇爾火山上方一個煙圈形成和消散的過程。
盡管火山煙圈直徑可達上百米，但其持續(xù)時間很短，而且難以預測，因此很難進行研究。
之后他們把所有的發(fā)現(xiàn)都輸入電腦模型。通過調(diào)整火山通道內(nèi)的積聚的壓力數(shù)據(jù)，以及虛擬火山火山口的幾何形狀，研究小組計算出了形成煙圈所需的條件。
當巖漿通過火山通道向上噴涌時，周圍的壓力會下降，溶解的氣體便以氣泡的形式出現(xiàn)。如果巖漿不太粘稠，氣泡就會融合成單一的加壓氣泡。當它們接近火山口時，這些氣泡會急劇減壓并爆炸，推動熱蒸汽向上運動，有時速度接近超音速。
這時候，火山就像簡單的煙霧炮玩具一樣，后者通過一個狹窄的圓形開口噴出煙霧。在兩種情況下，都需要收集大量的蒸汽，然后迅速排出，形成一個圓環(huán)。
在模擬的火山中，從火山口噴出的蒸汽與巖石表面相互作用，導致氣體球沿著巖石邊緣運動。Pulvirenti說，慢動作視頻表明，煙霧炮玩具也發(fā)生了同樣的過程。之后，當上升的蒸汽環(huán)遇到寒冷的大氣時，會變冷，減速，冷凝，變得肉眼可見，有點類似飛機的航跡云。
要形成火山環(huán)，最重要的是火山口必須比較接近圓形，而且火山口的周圍高度必須相同。如果火山口的形狀太不規(guī)則，“煙圈”可能會嚴重扭曲、不穩(wěn)定，或者壓根兒不會形成。
“魔戒使者”
Benjamin Simons是奧克蘭大學火山學博士，曾在數(shù)座活火山上看到煙圈現(xiàn)象，其中包括瓦努阿圖的伊蘇爾火山。他看到的大部分“煙圈”都出現(xiàn)于“天窗”，也就是火山口上方近似圓形的天然開口，下面就是“美麗的巖漿”。
當少量火山氣體通過這些狹窄的開口時，就會出現(xiàn)“煙圈”。這些“煙圈”緩慢地上升，幾乎沒有力量在消失之前離開山頂火山口，他說。新計算機模型的計算結(jié)果與Simons的觀測結(jié)果相吻合?；鹕娇诘拈_口越圓，“就越有可能產(chǎn)生煙圈，”他說。
雖然新研究尚未通過同行評審，但它似乎解釋了不是所有火山都會出現(xiàn)煙圈的原因，因為煙圈的形成需要苛刻的條件。
然而，即使?jié)M足了這些條件，煙圈也并不總是出現(xiàn)，這表明火山內(nèi)部的復雜程度遠遠超過我們目前的了解。幸運的是，研究小組仍在努力尋找更多的答案。
新研究不僅僅是為了滿足好奇心?；鹕綗熑Φ男纬陕窂脚c巖漿在火山爆發(fā)過程中流向地表的路徑相同，因此研究該問題可能有助于地質(zhì)學家更好地認識火山內(nèi)部的情況。
Ferlito說，盡管新研究可能并沒有解決火山學中最緊迫的問題，但嘗試解決一個既有趣又美麗的謎團仍是一件愜意的事情。
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