中科院:若火山没有更强爆发 不可能引起无夏之年

近期南太平洋汤加海域火山爆发，尽管这是本世纪迄今为止最大的火山爆发，然而与引起1816年“无夏之年”的坦博拉火山爆发相比，量级依然差距巨大，如果后期没有更强的爆发，此次火山爆发对全球气候的影响非常有限，不可能引起“无夏之年”。

一、汤加火山爆发

2022年1月15日12时20分左右（北京时间），南太平洋岛国汤加海域（20.536°S, 175.382°W）发生大规模火山爆发，卫星探测结果表明，火山灰最高冲至约28千米高空，卫星云图上甚至可见爆发而上的蘑菇云。一时之间，全球媒体纷纷报道，国内某些营销号也迅速跟进发出2022年将是“无夏之年”的文章，这次火山真的会引起这么强的气候效应么？

此次火山确实在全球引起巨大的影响，在海洋和大气引起较强的冲击波，环太平洋地区均发布了海啸预警，新西兰、澳大利亚和万里之遥的日本、美国西海岸等地都观测到了明显的涨潮，万里之遥的我国、美国西部和南美洲等地都观测到了气压的小幅波动。

汤加火山爆发后的大气波动，GOES-17卫星红外辐射图，图片来自于Mathew Barlow

受影响最严重的主要是火山爆发当地，火山爆发引起的火积云直冲云霄，摩擦引起强烈的闪电，海啸袭击汤加、斐济、瓦努阿图等地，汤加海底电缆断裂，和外界的所有联系中断，整个国家在互联网世界中消失。巨大爆炸的声音甚至传到800公里外的斐济和2000公里外的新西兰北岛。

汤加火山爆发后的大气波动， EUMETSAT卫星红外辐射图，图片来自于Mathew Barlow

此次是一座海底火山爆发，位于活跃的汤加-克马德克群岛火山弧上，过去100年，此处经历过多次海底火山爆发，火山喷发使得岛屿高度多次变化，2014年上一次火山喷发形成一个新岛，此次喷发之后，新岛从海面上消失。

二、火山爆发如何影响气候？

火山大爆发对当地可造成毁灭性影响，例如公元79年，意大利南部那不勒斯湾东海岸维苏威火山大爆发，火山灰和火山砾瞬间淹没了繁华的庞贝城和斯塔比伊城。

火山大爆发还对地球气候有重要影响，大的火山爆发甚至能影响气候的走向。例如距今约7.5万年（~75000±900）以前，印尼苏门答腊岛的托巴（Toba）超级火山爆发，这次火山爆发达到了超大规模的8级（火山爆发指数），据估计喷发出了2800立方千米的物质。地质资料分析，火山灰的沉积范围向西一直到印度次大陆和阿拉伯海，向东北方向直到~1500-1800公里的中国南海。

科学家估计Toba火山爆发后形成了全球长达6-10年的火山冬天，期间全球平均温度降低超过5度，在中高纬度降温甚至超过10度，火山专家美国罗格斯大学新伯朗士威分校Alan Robock教授的数值模拟研究表明，最大的全球降温可能达到15度。在格陵兰岛的冰芯资料里发现了此次火山的沉降物，随之有长达千年的低温期（δ18O含量偏低），有研究（Ambrose, 1998; Rampino, 2002）认为此次超强火山爆发甚至改变了地球上各种生命的进程，甚至使得北半球四分之三的植物死亡，当时地球人类数量可能降低到了有史以来最低值（全球人口数降低到1万-3万），人类演化差点被推到了灭绝的边缘。尽管关于此次火山对人类数目的影响依然还有争议，但是各研究都承认此次超强火山确实对气候造成了严重的影响。

火山影响气候并不是通过火山灰，因为火山灰是比较大的颗粒，很快就会通过干和湿过程沉降，主要是通过火山喷发的二氧化硫，火山喷发的二氧化硫气体直达平流层，在较短时间（一两个月）即会形成硫酸气溶胶，随着平流层环流输送到全球各处，由于平流层环流稳定，所以硫酸会持续更长的时间(一年以上)，通过阻挡太阳辐射，引起近地面温度降低。

强的火山活动一般会有较为长期的影响，主要是通过进一步影响高纬度地区的冰雪面积，从而触发冰雪反照率-辐射的正反馈机制，或者通过影响植被状况，引起光合作用量的变化，从而形成更强和更长期的影响。

三、历史上真正的无夏之年

历史上的“无夏之年”特指1816年，当年全球温度异常偏低，欧美称其为 “无夏之年（the year without summer）”，历史记载：

6月6日，在纽约Albany和Dennysville，依然有降雪。

7月和8月，宾夕法尼亚州西北地区湖里和河里依然有冰块。

8月20和21日，向南到弗吉尼亚地区秋天的霜冻已经到来。

在纽约郊区的震教徒（shakers）教区，一个叫做Nicholas Bennet的人记载那年5月份，山上光秃秃的和冬天一样，五月份每天温度还会降到冰点以下。6月9日地面还是冻结状态，6月12日，震教徒们不得不重新种植被霜冻的植物，7月7日依然很冷，所有作物都停止生长，8月23日，重新出现霜冻。

欧洲也差不多，寒冷使得当年作物收成基本无望，从英国、爱尔兰、威尔士到德国，四处都是受灾的难民和乞丐，食品价格飙涨，1815年一蒲式耳燕麦价格折合现在约为1.55美元，到1816年飙升到12.85美元。示威、骚乱、纵火和打劫猖獗，当年成为19世纪欧洲最差的荒年。这一灾难的肇事者是1815年东南亚的坦博拉(Tambora)火山爆发，火山在东南亚造成71000多人死亡，其中11000-12000人是直接因为火山爆发造成的，其余人则是死于饥荒和疾病。而万里之遥的欧洲，饥荒造成超过20万死亡。

估算的1816年欧洲温度异常，比气候平均态低3度以上。

坦博拉火山位于印度尼西亚松巴哇岛上，1815年4月5日-15日爆发达到创纪录的VEI 7级（火山爆发指数），据记载这次火山爆发前坦博拉火山高度为4100米，火山爆发之后只剩下2850米，形成直径达6000多米，深700米的巨大火山口，这次火山灰柱高度达到45公里（到平流层高层），大气中火山灰随风飘，150公里之外火山灰有1米厚，300公里之外有25厘米，到了1000公里之外还有5厘米的火山灰，火山灰完全遮蔽了天空，记载一周之后距火山几百千米以外的瓜哇岛，依然天空黑得几乎伸手不见五指。

火山爆发的影响可达万里之外，人们不仅可以感受得到温度的变化，而且可以肉眼可见。当火山的硫酸盐气溶胶笼罩整个平流层的时候，天空的朝霞和晚霞异常漂亮，这被称作dry fog。因为火山气溶胶在平流层，因此不受对流层天气的影响。英国著名风景画家透纳（Joseph Mallord William Turner）画下了他眼中的天空，他的画充满着灵动，他说自己的画作只是真实的记录下景色的样子，“I did not paint it to be understood, but I wished to show what such a scene was like”

以下两幅画一幅是有火山气溶胶影响的（上图），天空是橙色和红色的，另一幅是没有火山的正常晚霞（下图），蓝色的天空终于露出了笑脸，喜欢看晚霞的人在1816年看了整整一年的红色天空，他们一定会万分想念蓝色。

画作The Chichester Canal (1928)，反映了火山气溶胶影响下的天空。

画作The Harbor of Dieppe (1826)，正常的晚霞

四、让火山喷一会

火山能否对全球气候造成影响与火山爆发持续时间、造成经济和人员损失、声响大小等并不直接关联，主要和火山爆发进入平流层的硫酸盐量有关。在20世纪最主要的几次火山爆发中，1963年的阿贡火山爆发约800万吨二氧化硫进入平流层，1982年爆发的埃尔奇琼火山喷发了约700万吨二氧化硫进入平流层，而1991年的Pinatubo火山爆发，有大约2000万吨二氧化硫进入平流层，这三次火山爆发都在全球温度序列里留下了印记，降温幅度分别为约-0.2°C、约-0.2°C和约-0.5°C，持续时间为1-2年。

目前评估火山爆发强度一般用火山爆发指数（VEI）来衡量，数值越大，火山爆发越强。火山爆发指数（VEI）是基于喷发物总质量与喷发柱高度来判断，总体上和火山爆发能量一致。VEI数值每增大1，其喷发的体积增大10倍。由于火山爆发指数（VEI）并不是根据进入平流层的硫酸盐量来判断，因此并不能完全反映其气候影响，尽管一般来说VEI数值越大，喷发进入平流层的二氧化硫越多，但是根据火山爆发方式、喷出物质、火山爆发位置、火山爆发时天气情况的不同，能进入到平流层的二氧化硫经常有巨大的差别。例如1980年5月18日美国圣海伦火山爆发，火山爆发的轰鸣声几乎响彻美国1/3国土面积，这是一次VEI 5级强度的火山爆发，造成57人死亡，然而这次火山爆发进入平流层的二氧化硫量仅为约100万吨左右，其对全球气温的影响微不足道，在全球平均的温度序列里根本检测不出，而同是VEI 5级火山的埃尔奇琼火山则喷发了约700万吨二氧化硫进入平流层，导致全球温度降低约0.2°C。因此，以笔者判断，火山爆发要对全球平均气温造成可观测和识别的影响，其喷发进入平流层的二氧化硫量至少需要达到200万吨以上。

火山爆发一般会持续比较长的时间，例如1991年Pinatubo火山从当年3月开始活跃起来，到当年6月15日产生最强的爆发，后续一直持续到1992年7月才慢慢平静下来。本次汤加的火山活动从2021年12月底开始，目前还处于活跃状态，因此后续是否还会有更大规模的爆发，还需要进一步监测。

从最新卫星监测数据来看，此次汤加附近海域的海底火山爆发火山灰最高达到约28km，这已经到了平流层的中下层，因此评级为5级左右比较合适，之前对进入平流层的二氧化硫的估算量为约5万吨，而根据Sentinel5P/TROPOMI的对进入平流层的二氧化硫的估算，大概有40万吨二氧化硫进入平流层，总体而言，这一数值距离可以对全球气候有所影响，还有非常大的差距，因此，如果这个火山后期没有更大规模的喷发，我们可以判断，此次火山活动暂无可能影响全球温度。

值得注意的是，大规模火山爆发的气候影响不仅仅局限于全球温度，也会对热带海温分布（ENSO）状态有所影响，还可能通过遥相关产生其他的环流影响，这还需要进一步深入的评估。

来源：中国科学院大气物理研究所