巨大的火山爆发:是时候做好准备了

今年1月，位于南太平洋汤加的Hunga Tonga - Hunga Ha ' apai火山大规模喷发，就像一颗“险些撞上”地球的小行星一样。这是自1991年菲律宾皮纳图博火山(Pinatubo)爆发以来最大的一次喷发，也是仪器记录在案的最大一次喷发。

火山灰落了数百公里，影响了基础设施、农业和鱼类资源。地震造成的损失相当于汤加国内生产总值的18.5%。海底电缆被切断，切断了汤加与外界的几天通讯;在更远的地方，爆炸产生了世界性的冲击波和海啸，到达了日本和南北美洲的海岸线。幸运的是，火山喷发只持续了大约11个小时。如果它持续的时间更长，释放出更多的火山灰和气体，或者发生在东南亚人口更密集的地区，或者发生在重要航道、电网或其他关键全球基础设施高度集中的地区，它将对全球供应链、气候和粮食资源产生影响¹．

遗憾的是，世界对这样的事件毫无准备。汤加火山喷发应该是一个警钟。来自冰芯的最新数据表明，本世纪发生7级(比汤加大10倍或100倍)或以上火山喷发的概率为六分之一²．在过去，这种规模的火山爆发曾导致气候突变和文明崩溃，并与流行病的兴起有关^3.．

然而，几乎没有投资来限制这种级别的火山爆发可能造成的影响。在我们这个全球互联的世界中，交通、粮食、水、贸易、能源、金融和通信都将受到影响。

在下个世纪，大规模火山爆发的可能性是小行星和彗星撞击的总和的数百倍⁴．这些事件对气候的影响是类似的，但应对措施却截然不同。“行星防御”每年获得数亿美元的资金，并有几个全球机构致力于此。今年9月，美国宇航局的双小行星重定向测试(DART)任务将试图推动一颗小行星的轨道，测试未来小行星偏转的能力。这个前期准备项目将耗资3亿多美元。相比之下，没有协调一致的行动，也没有大规模的投资来减轻大规模火山喷发的全球影响。这种情况需要改变。

深度撞击号

尽管研究人员早就知道大规模火山爆发的剧烈影响，但这种事件发生的可能性直到最近才得到澄清。

大型喷发的复发率可以通过搜索硫酸盐峰值的长期记录来确定，硫酸盐峰值来自全球重大事件期间释放的气体。2021年，研究人员观察了两极的冰芯，在格陵兰岛的冰中发现了1113个火山爆发的迹象，在南极洲发现了737个火山爆发的迹象，发生在6万至9000年前。他们发现97次事件对气候的影响可能相当于7级或更大的火山爆发。他们得出的结论是，7级喷发大约每625年发生一次，8级喷发(也被称为超级喷发)大约每14300年发生一次²．这比以前的评估(使用地质记录和统计技术)认为的更频繁，之前的评估发现，7级地震的复发间隔为1200年，8级为17000年⁵．

上一次7级地震发生在1815年的印尼坦博拉。在该群岛，估计有10万人死于火山流、海啸、沉重的岩石和火山灰沉积在庄稼和房屋上及其后果。全球平均气温下降约1摄氏度，导致“无夏之年”。美国东部和欧洲大部分地区经历了大规模的农作物歉收，由此引发的饥荒导致了暴力起义和疾病流行。

现在的世界已经大不相同了。在某些方面，它更有弹性:火山被更好地监测，教育和意识得到了更好的提高，医疗保健和食品系统得到了改善。在其他方面，人类面临的风险正在增加。由于气候变化引起的海洋和大气环流的变化，下个世纪热带地区的一次大规模喷发可能导致比今天多60%的降温⁶．由于冰川融化、降水变化和海平面上升，地球表面的地球物理力量发生了变化，火山喷发的频率也会增加⁷．

火山的新科学利用人工智能、卫星和气体传感器来预测火山爆发

尽管平流层中硫酸盐气溶胶的降温作用可能抵消温室气体造成的变暖(世界温度已经比前工业化时代高出约1.1°C)，但大规模火山喷发的影响将是突然和巨大的，对天气、降雨和温度的影响是不均匀的。

现在的全球人口是1800年的8倍，其所依赖的贸易自那时起增长了1000多倍。正如2019冠状病毒病大流行和乌克兰战争所表明的那样，现代世界高度依赖全球粮食、燃料和资源贸易;一个地方的灾难可能导致遥远地方的价格飙升和短缺。

据估计，一次大规模火山喷发造成的经济损失高达数万亿美元⁸这与大流行的情况大致相当。考虑到7级地震的估计复发率，这相当于每年10亿美元以上。投资于危机准备和缓解要比对灾难作出反应便宜得多。我们呼吁加强对旨在预测、防备和缓解的研究的重视和协调。下面我们将介绍这些努力可能的样子;如需进一步阅读，请参阅补充信息。

精确的风险

在冰芯记录中检测到的97次大型火山爆发中，只有少数可以归因于特定的火山。其他火山的遗址仍然是一个谜，包括一些最近发生的令人震惊的火山——例如，导致6世纪中期“古代晚期小冰期”的火山爆发。据估计，在公元1年之前的6级喷发中，目前有80%都没有出现在全球地质记录中⁹在美国，千岛群岛(Kuriles)等海洋岛屿以及印度尼西亚和菲律宾等火山密度最高的国家的数据尤其糟糕。

在过去的一万年里，大约有1300座火山在某个时间点喷发过，这意味着它们被认为是活跃的。但可能还有许多其他的活火山:它们最近的喷发可能不为人知，因为它们的位置没有被研究过，或者它们可能休眠了很长一段时间，但仍然有可能发生大型爆炸事件。识别潜在的活火山¹⁰需要一个全面的方法。

对历史和地质记录的进一步研究——包括海洋和湖泊的岩心，特别是在东南亚等被忽视的地区——将有助于查明火山灾害，并绘制出大规模喷发往往发生的地方。

还应确定易受伤害程度较高和易受火山威胁的地区。这将需要跨学科研究，以确定贸易、能源、关键基础设施、粮食和水安全以及金融领域的最大全球风险¹．在密集的贸易网络上，很可能会出现大型火山威胁的临界点，例如位于马来西亚半岛和印尼苏门答腊岛之间的马六甲海峡和地中海。

改进监测

自1950年以来，只有27%左右的火山爆发被至少一种仪器(如地震仪)监测到¹¹．全球火山动荡数据库WOVOdat只收集了大约三分之一的火山爆发的数据。改进的对已知活火山的地面监测——包括地震活动、气体释放和地面变形的测量——可以提供更好的喷发预警，特别是当与人工智能辅助的新兴分析相结合时。

在当地地面监测不可行的地方，特别是在偏远地区，卫星和空中观测就变得必不可少。除了监测热、气体和变形的变化外，卫星还可以提供实时的大规模喷发率、羽流高度和救灾图像。但目前的卫星缺乏必要的时间和空间分辨率。

例如，汤加火山爆发后，欧盟哨兵- 1a探测器在12个小时后才拍摄到第一张雷达图像，捕捉到火山的变化。通常情况下，火山学家还必须依靠私人卫星公司的慷慨提供实时高分辨率图像，比如位于加利福尼亚州旧金山的卡佩拉航天公司在圣文森特和格林纳丁斯的La Soufrière火山于2021年4月爆发后的一天提供了图像。

地球观测卫星委员会(ceo)的一个为期四年的试点项目表明，现有的地面变形卫星雷达图像可用于帮助跟踪拉丁美洲的火山活动。首席执行官建议采取一系列措施，以加速向当地天文台传输数据，改进数据解释，并将该战略推广到其他地区¹²．

20多年来，火山学家一直呼吁发射一颗专门的火山观测卫星。通过共享卫星已经取得了很大进展，但通过专门的红外卫星观测可以实现火山监测的阶段性变化¹³或者是高空无人机，每次可以充当几个月的伪卫星。

提高防范

为了提高社区一级的复原力并支持人道主义应对措施，应将火山灰沉降物、气体羽流和火山流等其他危害的实时监测和模拟纳入实时、有针对性的通信。这种“临近预报”建议可以通过短信发送，例如，指示某人“清除屋顶上的火山灰，防止倒塌，因为预计在未来2小时内火山灰将达到50厘米”，或指示他们前往最近的急救中心，获取紧急物资和医疗保健。

为什么致命的新西兰火山爆发难以预测

更加强调以社区为重点的教育和认识可以帮助生活在脆弱地区的人们做好准备。由西印度大学地震研究中心在圣文森特和格林纳丁斯开展的火山准备社区项目是最近的一个成功案例。在2021年爆发前，它帮助有效疏散了2万人，没有造成任何生命损失。应该在全球范围内扩大类似的社区意识规划。

在能源网络和通信网络等关键基础设施中建立更强的抵御能力可以减轻区域影响。全球政策协议可以优先考虑石油、天然气、化肥、粮食、电子产品和关键金属资源等重要商品的运输，并确保各国不为自己的狭隘利益行事，例如，通过鼓励可能加剧粮食短缺的出口禁令。像联合国减少灾害风险办公室这样的全球机构还没有采取这种有重点的努力。

地球工程研究火山

大型火山喷发的一些最广泛的影响来自于平流层注入的硫气溶胶，它阻挡了阳光，并突然使地球变冷。研究如何抵消它们可以帮助缩短火山冬季。

研究已经考虑使用硫酸盐通过偏转太阳辐射来抵消人类引起的变暖。相反的情况很少受到关注。理论上可以释放一种短命的增温剂，如氢氟碳化合物，以抵消硫酸盐的冷却作用¹⁴或者使用高空飞机释放与硫酸盐气溶胶结合的无毒物质，以类似于卷云减薄的方式加强其从大气中去除。这些努力可能会带来巨大的成本和副作用，比如酸雨，以及巨大的潜在收益。

能够直接影响火山活动似乎不可思议，但小行星的偏转也不可思议，直到2016年美国宇航局行星防御协调办公室成立。地热勘探的大量实例表明，从技术上讲，穿透地壳中的岩浆体几乎不会造成附带损害是可能的。2024年，研究人员计划在冰岛克拉夫拉试验台的岩浆口袋中钻孔，以提供一个“长期岩浆观测站”，并测试传感设备，以改善潜在的火山预测。还应该进行研究，以评估是否有可能操纵岩浆或周围的岩石来减缓喷发的爆炸性——其中一个名为“火山爆发时的岩浆排气和地热勘探”的项目得到了欧洲研究理事会(European Research Council)到2026年的资助。

科学家是否应该进行任何具有明显风险的火山工程，这是一个有待讨论的问题。但这样的争论需要严格的理论和实验研究来支撑。我们认为，缺乏投资、规划和资源来应对大型火山爆发是鲁莽的。

人类是否会从汤加火山学的死里逃脱中吸取教训，还是会在大流行之后，让世界措手不及的下一个破坏地球的大爆发?讨论必须现在就开始。