汤加火山爆发 海陆空波动传遍各地
2022年4月30日
林静芝、许大伟相信大家都知道，南太平洋岛国汤加于香港时间2022年1月15日中午〔协调世界时04时〕左右发生了大规模海底火山爆发 〔见参考Global Volcanism Program, 2022）。这次罕见事件吸引火山学家、地震学家、海洋学家、气象学家及气候学家的关注。洪阿哈阿帕伊岛〔Hunga-Tonga Hunga-Ha'apai〕海底火山〔下称汤加火山〕喷发大量火山灰至高空，亦触发跨越海洋的海啸，导致汤加周边岛屿居民的家园受损和数人死亡。太平洋和南中国海上的浮标仪器和沿岸地区的潮汐站均监测到海啸波。汤加附近地区有居民在火山爆发后听到巨响及闻到浓烈的硫磺气味。火山爆发引发的冲击波环绕全球数次，并引致加勒比海、大西洋、印度洋及南中国海产生类似海啸波的气压波动，称为「气象海啸」。
让我们一起从气象、地球物理和海洋观测去探讨汤加火山爆发的特别之处，包括从大气、陆地和海洋传播到世界多处的不同类型波动。
1. 海底火山喷发高耸的烟羽直达大气中间层
综合卫星观测〔见参考NASA,2022〕和全球卫星定位系统〔GPS〕所探测到的高空扰动，显示火山烟羽向上伸展至地表以上80-90公里高，海底火山爆发的烟羽能达这高度是非常罕见的，成因是火山爆发的蒸汽和包含二氧化硫的火山气体混入岩浆后急速涌升，加剧火山喷发并形成冲上高空的火山烟羽。
全球闪电监测网络〔GLD360〕探测到由气体粒子急剧碰撞而产生的闪电，从图1〔a〕的动画可以看到向外扩散的环状涟漪〔〔气象学上称为「重力波」〕〕。在1月15日协调世界时04至05时 〔协调世界时UTC = 香港时 HKT - 8小时〕录得多至约20万次闪电，当日共计约40万次。图1〔b〕展示火山喷发当时从地面捕捉到的闪电情况。
〔a〕
〔b〕
图1 〔a〕 2022年1月15日04-16 UTC期间从GLD360录得与汤加火山爆发相关闪电的动态影像。闪电〔红点〕叠加在向日葵8号卫星于南纬10至30度，东经170至西经165度的红外光卫星图像；〔b〕 从地面观察到火山爆发期间的闪电〔来源: 汤加地质局〕。
2. 大气传播的波动 ─ 冲击波
是次巨大火山爆发造成的冲击波可以首先从2022年1月15日04:10至04:20 UTC的卫星水汽通道影像观测得到〔图2〕。冲击波看来像石头掷进水中造成的涟漪，环形波动越远变得越模糊。
图2 2022年1月15日04:10 UTC至1月17日23:50 UTC的日本向日葵8号卫星低层水汽通道〔6.25微米〕时差图像动画，显示火山爆发引起的冲击波环绕地球。
大气中的冲击波就是「气压波」，在世界多处包括香港都能观测到。图3显示波动前沿从火山爆发地点〔红点〕向外扩散及其传至香港的路径，一个是西北方向〔图3中的粗蓝色箭嘴显示第一波到达香港〕，而另一个是东南方向〔图3中的黄色箭嘴显示第二波从地球另一侧到达香港〕。气压波以每秒约310米的速度传播〔用传播距离〔约9 000公里〕及所需时间〔约8小时〕计算出来)。从横澜岛的气压读数能分辨别出约五个压力波〔图4〕。第一波抵达时带来约2百帕斯卡的气压变化，这跟日本父岛观测到的气压变化相若〔图5a〕。第二波以相反方向绕过地球另一侧才抵达香港，从它引致较弱的气压差断定第二波的能量显著较少。第三波〔图3中的幼蓝色箭嘴〕及第五波其实是源于第一波分别环绕地球一周及两周后造成的；同样地，第四波是第二波在环绕地球一周后造成的。
图3 气压波传播示意图叠加于2022年1月15日05:20 UTC卫星水汽通道图像，显示火山爆发〔红点〕引发气压波传播至香港〔红色叉号〕的路径。第一波〔短粗蓝色箭嘴〕来自香港的东南方，第二波〔黄色箭嘴〕来自西北方，而第三波〔幼长蓝色箭嘴〕亦来自东南方但已环绕地球一周。
图4 香港横澜岛一分钟平均海平面气压〔蓝色线〕和距平〔橙色线〕的时间序列，标示头五个压力波大概到达时间。
图5 日本父岛录得的 〔a〕气压变化；〔b〕水位变化；〔c〕海啸波走时图〔资料来源:日本气象厅；日本时JST = UTC + 9小时〕。
3. 穿越陆地的波动 ─ 地震波
全球多个地震站都监测到由火山爆发造成的陆地震动讯号，美国地质调查局〔USGS〕基于地震校准技术事后分析〔见参考USGS, 2022〕，计算出是次震动相当于一个5.8级的地震，震中位于南纬20.546度，西经175.390度，震源深度为零，发生时间为04:14:45 UTC。香港宝珊宽频地震站在 04:27 UTC亦探测到地震体波〔学术上名为「P波」，其振动方向与地震波传播方向一样〕〔图6〕。第一个地震波抵达香港需时12分钟。
图6 香港宝珊宽频地震站于2022年1月15日04:27 UTC左右所录得的地震波，红色箭嘴标示「P波」抵达时间。
4. 横越海洋的波动 ─「气象海啸」和「海啸波」
汤加火山爆发引发汤加附近岛屿出现海啸，波高达15米，新西兰、智利和日本部分沿海地区出现接近2米的海啸，而远至中国部分沿海地区亦出现0.1至0.2米的海啸波〔见参考IOC, 2022〕。
海啸波的波长〔两个相连波峰之间的水平距离〕远高于海洋的深度。对于这类长波而言，其传播速度与频率及波长无关，因此我们只需根据世界不同地方的水深便可预制「海啸波走时图」。图7的「海啸波走时图」显示是次海啸波由发源地开始传播至香港需要14至15小时，预计到达时间是2022年1月15日18-19 UTC。跟许多太平洋其他地区一样，例如日本父岛〔图5b〕，香港在预计海啸波到达时间前已经录到水位有轻微波动。这些轻微水位波动不是由上述海啸波造成的，而是传播速度更快的气压波所激发的海面波动，这种由气象因素造成的水位波动被称为「气象海啸」〔Dogan GG, et al., 2021〕。
图7 海啸波走时图，用来预计海啸波到达香港所需时间。红点标示2022年1月15日由美国地质调查局分析汤加火山爆发相关的地震波源头位置。香港位置由黄色星号表示。
图8的示意图展示海啸波、大气中快速传播的气压波及其引发的「气象海啸波」、以及南中国海大陆架的影响。与「气象海啸」和海啸相关的长波由深水传播至大陆架上的浅水时会出现波幅增大的效应，但同时亦会因受到摩擦力和湍流作用而衰减。是次「气象海啸」相比预期的海啸波早3至4小时到达香港，而它是在第一个气压波抵达后约2.5小时之后出现。在「气象海啸波」和海啸波并存之下，从时间序列分析来辨别后者的抵达时间变得很困难。海啸波令香港水位出现轻微变化，鰂鱼涌录得最高波幅约7厘米，而石壁则约为10厘米〔图9〕。
图8 示意图展示由火山爆发引起大气中高速传播的气压波及其引发「气象海啸波」〔绿色〕和一般由陆地震动引起的海啸波〔蓝色〕。「气象海啸」和海啸的长波同样受到陆架的影响而波幅增大。
〔a〕
〔b〕
图9 2022年1月15日香港于〔a〕鰂鱼涌潮汐站及〔b〕石壁潮汐站的水位时间序列〔蓝色〕和除去潮汐变化后的水位距平〔绿色〕。
同一源头造成不同种类的波动，同时影响全球并不常见，这归因巨大海底火山爆发所造成的罕见情况。
鸣谢
感谢苏志权和黄锦明协助制作卫星图像动画和全球闪电监测网络数据。
备注 : 参考资料以英文发表。