湯加火山爆發 海陸空波動傳遍各地
2022年4月30日
林靜芝、許大偉相信大家都知道，南太平洋島國湯加於香港時間2022年1月15日中午〔協調世界時04時〕左右發生了大規模海底火山爆發 〔見參考Global Volcanism Program, 2022）。這次罕見事件吸引火山學家、地震學家、海洋學家、氣象學家及氣候學家的關注。洪阿哈阿帕伊島〔Hunga-Tonga Hunga-Ha'apai〕海底火山〔下稱湯加火山〕噴發大量火山灰至高空，亦觸發跨越海洋的海嘯，導致湯加周邊島嶼居民的家園受損和數人死亡。太平洋和南中國海上的浮標儀器和沿岸地區的潮汐站均監測到海嘯波。湯加附近地區有居民在火山爆發後聽到巨響及聞到濃烈的硫磺氣味。火山爆發引發的衝擊波環繞全球數次，並引致加勒比海、大西洋、印度洋及南中國海產生類似海嘯波的氣壓波動，稱為「氣象海嘯」。
讓我們一起從氣象、地球物理和海洋觀測去探討湯加火山爆發的特別之處，包括從大氣、陸地和海洋傳播到世界多處的不同類型波動。
1. 海底火山噴發高聳的煙羽直達大氣中間層
綜合衛星觀測〔見參考NASA,2022〕和全球衛星定位系統〔GPS〕所探測到的高空擾動，顯示火山煙羽向上伸展至地表以上80-90公里高，海底火山爆發的煙羽能達這高度是非常罕見的，成因是火山爆發的蒸汽和包含二氧化硫的火山氣體混入岩漿後急速湧升，加劇火山噴發並形成衝上高空的火山煙羽。
全球閃電監測網絡〔GLD360〕探測到由氣體粒子急劇碰撞而產生的閃電，從圖1〔a〕的動畫可以看到向外擴散的環狀漣漪〔〔氣象學上稱為「重力波」〕〕。在1月15日協調世界時04至05時 〔協調世界時UTC = 香港時 HKT - 8小時〕錄得多至約20萬次閃電，當日共計約40萬次。圖1〔b〕展示火山噴發當時從地面捕捉到的閃電情況。
〔a〕
〔b〕
圖1 〔a〕 2022年1月15日04-16 UTC期間從GLD360錄得與湯加火山爆發相關閃電的動態影像。閃電〔紅點〕疊加在向日葵8號衛星於南緯10至30度，東經170至西經165度的紅外光衛星圖像；〔b〕 從地面觀察到火山爆發期間的閃電〔來源: 湯加地質局〕。
2. 大氣傳播的波動 ─ 衝擊波
是次巨大火山爆發造成的衝擊波可以首先從2022年1月15日04:10至04:20 UTC的衛星水汽通道影像觀測得到〔圖2〕。衝擊波看來像石頭擲進水中造成的漣漪，環形波動越遠變得越模糊。
圖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號衛星低層水汽通道〔6.25微米〕時差圖像動畫，顯示火山爆發引起的衝擊波環繞地球。
大氣中的衝擊波就是「氣壓波」，在世界多處包括香港都能觀測到。圖3顯示波動前沿從火山爆發地點〔紅點〕向外擴散及其傳至香港的路徑，一個是西北方向〔圖3中的粗藍色箭嘴顯示第一波到達香港〕，而另一個是東南方向〔圖3中的黃色箭嘴顯示第二波從地球另一側到達香港〕。氣壓波以每秒約310米的速度傳播〔用傳播距離〔約9 000公里〕及所需時間〔約8小時〕計算出來)。從橫瀾島的氣壓讀數能分辨別出約五個壓力波〔圖4〕。第一波抵達時帶來約2百帕斯卡的氣壓變化，這跟日本父島觀測到的氣壓變化相若〔圖5a〕。第二波以相反方向繞過地球另一側才抵達香港，從它引致較弱的氣壓差斷定第二波的能量顯著較少。第三波〔圖3中的幼藍色箭嘴〕及第五波其實是源於第一波分別環繞地球一周及兩周後造成的；同樣地，第四波是第二波在環繞地球一周後造成的。
圖3 氣壓波傳播示意圖疊加於2022年1月15日05:20 UTC衛星水汽通道圖像，顯示火山爆發〔紅點〕引發氣壓波傳播至香港〔紅色叉號〕的路徑。第一波〔短粗藍色箭嘴〕來自香港的東南方，第二波〔黃色箭嘴〕來自西北方，而第三波〔幼長藍色箭嘴〕亦來自東南方但已環繞地球一周。
圖4 香港橫瀾島一分鐘平均海平面氣壓〔藍色線〕和距平〔橙色線〕的時間序列，標示頭五個壓力波大概到達時間。
圖5 日本父島錄得的 〔a〕氣壓變化；〔b〕水位變化；〔c〕海嘯波走時圖〔資料來源:日本氣象廳；日本時JST = UTC + 9小時〕。
3. 穿越陸地的波動 ─ 地震波
全球多個地震站都監測到由火山爆發造成的陸地震動訊號，美國地質調查局〔USGS〕基於地震校準技術事後分析〔見參考USGS, 2022〕，計算出是次震動相當於一個5.8級的地震，震中位於南緯20.546度，西經175.390度，震源深度為零，發生時間為04:14:45 UTC。香港寶珊寬頻地震站在 04:27 UTC亦探測到地震體波〔學術上名為「P波」，其振動方向與地震波傳播方向一樣〕〔圖6〕。第一個地震波抵達香港需時12分鐘。
圖6 香港寶珊寬頻地震站於2022年1月15日04:27 UTC左右所錄得的地震波，紅色箭嘴標示「P波」抵達時間。
4. 橫越海洋的波動 ─「氣象海嘯」和「海嘯波」
湯加火山爆發引發湯加附近島嶼出現海嘯，波高達15米，新西蘭、智利和日本部分沿海地區出現接近2米的海嘯，而遠至中國部分沿海地區亦出現0.1至0.2米的海嘯波〔見參考IOC, 2022〕。
海嘯波的波長〔兩個相連波峰之間的水平距離〕遠高於海洋的深度。對於這類長波而言，其傳播速度與頻率及波長無關，因此我們只需根據世界不同地方的水深便可預製「海嘯波走時圖」。圖7的「海嘯波走時圖」顯示是次海嘯波由發源地開始傳播至香港需要14至15小時，預計到達時間是2022年1月15日18-19 UTC。跟許多太平洋其他地區一樣，例如日本父島〔圖5b〕，香港在預計海嘯波到達時間前已經錄到水位有輕微波動。這些輕微水位波動不是由上述海嘯波造成的，而是傳播速度更快的氣壓波所激發的海面波動，這種由氣象因素造成的水位波動被稱為「氣象海嘯」〔Dogan GG, et al., 2021〕。
圖7 海嘯波走時圖，用來預計海嘯波到達香港所需時間。紅點標示2022年1月15日由美國地質調查局分析湯加火山爆發相關的地震波源頭位置。香港位置由黃色星號表示。
圖8的示意圖展示海嘯波、大氣中快速傳播的氣壓波及其引發的「氣象海嘯波」、以及南中國海大陸架的影響。與「氣象海嘯」和海嘯相關的長波由深水傳播至大陸架上的淺水時會出現波幅增大的效應，但同時亦會因受到摩擦力和湍流作用而衰減。是次「氣象海嘯」相比預期的海嘯波早3至4小時到達香港，而它是在第一個氣壓波抵達後約2.5小時之後出現。在「氣象海嘯波」和海嘯波並存之下，從時間序列分析來辨別後者的抵達時間變得很困難。海嘯波令香港水位出現輕微變化，鰂魚涌錄得最高波幅約7厘米，而石壁則約為10厘米〔圖9〕。
圖8 示意圖展示由火山爆發引起大氣中高速傳播的氣壓波及其引發「氣象海嘯波」〔綠色〕和一般由陸地震動引起的海嘯波〔藍色〕。「氣象海嘯」和海嘯的長波同樣受到陸架的影響而波幅增大。
〔a〕
〔b〕
圖9 2022年1月15日香港於〔a〕鰂魚涌潮汐站及〔b〕石壁潮汐站的水位時間序列〔藍色〕和除去潮汐變化後的水位距平〔綠色〕。
同一源頭造成不同種類的波動，同時影響全球並不常見，這歸因巨大海底火山爆發所造成的罕見情況。
鳴謝
感謝蘇志權和黃錦明協助製作衛星圖像動畫和全球閃電監測網絡數據。
備註 : 參考資料以英文發表。