【地理拓展】火山如何攪動全球氣候？火山活動如何影響農業？

近日，全球多地火山活動活躍

這與氣候有何關係？

近期夏威夷冒納羅亞火山、印尼塞梅魯火山、意大利西西里島以北的斯特龍博利火山相繼噴發。當地時間12月10日位於危地馬拉首都危地馬拉城西南約40公里處的富埃戈火山開始噴發，火山熔岩蔓延約800米。

火山爆發受哪些因素掌控？跟氣候變化有關係嗎？火山噴發後氣候是變暖還是變冷？火山噴發與農業有何關係？我們一起看看~

火山噴發圖景。圖/新華網

01“魔盒”揭開之手

火山噴發是地球釋放內部能量的一種方式，即由地下熔融的岩漿及其攜帶的固體碎屑衝出地表，或以熔岩形式堆積形成山體，或以火山灰形式隨氣流遷移遠處卸載。據瞭解，全球約有1500座活火山，有史以來記錄的火山噴發約600座，每年有50～70座／次火山噴發。幾千年來，火山災害已經奪走了很多人的生命。

火山系統是複雜和動態的，許多因素都會導致活火山下面的岩漿儲庫與周圍的岩石之間的重力平衡狀態變得不穩定，從而導致火山噴發。根據馬昌前的分析，觸發火山噴發的內部原因主要與岩漿體內部的浮力增加和流動性的過程有關。岩漿儲庫含有足夠多的熱和具有流動性的岩漿，能爲岩漿提供足夠的能量到達地表，也爲火山噴發提供物質。在儲庫積累過程中，就有可能增加岩漿系統的熱和流動性，促進內部超壓。

12月4日，在印度尼西亞東爪哇省盧馬姜拍攝的正在噴發的塞梅魯火山。圖/新華網

在外部原因方面，地球表層環境和氣候變化或許是影響和觸發火山噴發的“罪魁禍首”。當大量冰川融化後，原先冰川施加給岩漿、地殼板塊的壓力會減輕或轉移，從而導致它們變得不穩定。有研究表示，冰川循環相關的冰和水分佈的變化對火山噴發會產生不同程度的影響，其中地表和大氣條件對噴發方式和火山灰柱的上升過程有明顯影響，大氣環流和降水的變化也可能影響到火山灰的生命週期。

在活火山區，大規模的冰川融化會加劇火山活動。比如在冰島，與較早的寒冷冰期相比，末次冰期結束後的平均噴發率高達100倍，即冰蓋較厚時，火山噴發較少，因爲1000～3000米的冰層厚度就會使冰覆蓋的火山延遲數年至數十年才噴發。

冰川消融還會加快火山噴發的進程。隨着冰川和冰蓋的融化，地球表面壓力減小，作用在地圈內岩石上的力（應力）也發生了變化，從而引起更多噴發。同時，海平面降低、潮汐應力變化或降水量變化等，都可能成爲引爆火山噴發的“導火索”。

海平面高度的變化能影響火山噴發。有研究發現，火山活動隨季節變化而不同，世界範圍內的火山噴發在北半球冬季時要比夏季多20％，原因可能是進入北半球冬季時全球海平面會略有下降，因爲北半球的陸地面積較南半球大，相對於南半球冬季而言，北半球冬季時會有更多的水被以冰和雪的形式留在陸地上。譚老師地理工作室綜合整理

世界上絕大多數最活躍的火山都分佈在海岸線幾十千米的範圍內，因此，以海平面下降這種形式所表現出的大陸邊緣海水重量的季節性減少在世界各地都有可能觸發火山噴發。雖然海平面下降時會出現一些火山噴發現象，但是這並不一定意味着氣候變化所導致的海平面上升會抑制火山活動。

此外，降雨量的變化也能引起火山噴發。2001年，加勒比海蒙特塞拉特（Montserrat）島的Soufrière火山噴發，大雨是主要原因。大雨破壞了Soufrière火山穹丘的穩定性，致其坍塌，然後大量岩漿被釋放出來。

火山噴發出的氣體改變了地球的大氣層，其中的溫室氣體還可能引發過度的溫室效應和全球變暖，並導致海洋循環減慢、缺氧和海水酸化等，也可能會產生火山冬天。然而，儘管強烈的火山噴發會造成氣候災害，但也並非全無益處。長期來看，這些火山通過快速的風化作用幫助消化了碳，穩定了地表溫度，進而調節全球氣候。火山活動維持地球的宜居性，火山岩中蘊含了多種礦產、寶石、油氣和地熱資源，造就了肥沃的土地和優美的景觀，同時是認識地球深處的窗口，也是考古、地質歷史和生命演化研究的重要標尺。

02地球的“降溫劑”？

距今約7.5萬年以前，印尼蘇門答臘島的託巴　（Toba）　超級火山爆發，達到超大規模的8級　（火山爆發指數），據估計噴發出了2800立方千米的物質。火山灰的沉積範圍向西一直到印度次大陸和阿拉伯海，向東北方向到達1500～1800公里的中國南海。

隨之而來的是全球長達6～10年的火山冬天。根據科學家的估測，這期間全球平均溫度降低超過5℃，在中高緯度降溫甚至超過10℃，而全球範圍內最大降溫或達到15℃。有研究認爲此次超強火山爆發甚至改變了地球上各種生命的進程，當時地球人類數量可能降低到了有史以來的最低值（全球人口數降低到1萬～3萬），人類演化差點被推到了滅絕的邊緣。

這次火山爆發對氣候和人類的影響之大，不禁讓我們想知道火山噴發到底是如何影響氣候的？

印度尼西亞爪哇島東部塞梅魯火山12月4日凌晨開始噴發，大批民衆被緊急疏散。圖/新華社

從直觀印象上看，火山噴發會產生大量的火山灰，但火山影響氣候並不是通過火山灰，因爲火山灰是比較大的顆粒，這些礦物顆粒物質會在火山噴發點周圍逐漸沉降。真正影響氣候的“另有其人”——含硫氣體，包括二氧化硫和硫化氫等。

火山噴發將含硫氣體噴入平流層，經過化學反應後形成硫酸鹽氣溶膠。平流層環流非常穩定，空氣以水平運動爲主。在平流層的“幫助”下，局地火山噴發形成的氣溶膠會瀰漫至全球。

這些氣溶膠可在平流層中停留數年之久，它們會阻擋太陽輻射，幫助地球將更多的陽光反射出去，在大氣層內產生冷卻效應，就像給地球打了一把“遮陽傘”，從而導致全球平均溫度下降，這也被稱爲“遮陽傘”效應。

顯然，火山噴發對全球氣候影響的大小與進入平流層的硫酸鹽氣溶膠的質量有關。自1950年以來有3次大規模低緯度火山噴發：1963年阿貢火山噴發，有約800萬噸二氧化硫進入平流層；1982年埃爾奇瓊火山噴發，有約700萬噸二氧化硫進入平流層；而1991年皮納圖博火山噴發，大約有2000萬噸二氧化硫進入平流層。這三次火山噴發均造成了之後1～2年的全球氣候異常。

此外，火山噴發還可能引發厄爾尼諾事件，以此影響全球氣候。

有研究發現，火山爆發會增加厄爾尼諾事件發生的可能性，同時也跟火山爆發前的海洋狀態有關。如果在火山爆發之前，海洋處於中性或拉尼娜狀態，則在火山爆發之後的第一個北半球冬季，大約81％的熱帶火山爆發之後都會出現厄爾尼諾事件。另外火山爆發所處的地理位置也是影響厄爾尼諾事件的重要因素。然而，目前有關這方面的研究尚存在很多爭議，需要進一步研究。

火山噴發既然能給地球降溫，那麼其能否抵消全球增暖趨勢呢？歷史記錄表明，單一火山事件的噴發，其直接影響氣候的時間一般持續1～2年，在短期內使溫度降低，造成冷暖振盪，隨着氣溶膠的消散溫度會逐漸恢復正常，因此不足以改變全球長期增溫趨勢。

對全球火山噴發所產生二氧化碳排放的研究都表明，當今的地下和海底火山釋放的二氧化碳不到目前人類活動釋放的二氧化碳的百分之一，人爲二氧化碳排放量分別是全球火山二氧化碳年排放量最大值和最小值估計值的80～270倍。1980年聖海倫斯火山噴發僅用了9個小時就將大約1000萬噸二氧化碳排放到大氣中。然而，目前人類只需要2.5小時就可以釋放出等量的二氧化碳。

但如果在一定時期內，火山爆發頻率集中增加或者減少，則足以造成這個時期的氣候異常。例如，關於中世紀暖期（900—1300年）小冰期（1550—1850年）的成因，一般認爲前者是由於火山爆發的頻率較低，後者則是因爲火山爆發的頻率較高，此外太陽輻照度的變化也有影響。

除了給全球降溫外，火山噴發還能夠給世界很多地區帶來顯著的降雨變化。在歷史上，多次高強度大範圍乾旱事件均與火山噴發存在聯繫。火山噴發後，由於地表溫度降低，造成水汽減少，因此從全球平均來看，降雨是減少的。研究表明，包括亞澳季風區、美洲季風區和非洲季風區在內的全球季風區，在熱帶火山噴發後的1～2年之內，降水都會不同程度地減少，中國東部、北部以及印度北部的乾旱事件增多。

火山活動頻繁

對農業產生怎樣的影響？

高達1300℃的熔岩像滾燙的鋼水一樣吞噬每一寸土地，碎屑蔽日，濃煙遮天……在許多人眼中，火山有着地球上最富毀滅性的力量，但死氣沉沉之下亦有生機，對農業來說尤其是如此。

火山噴發與農業減產之間的因果關係有理有據。1815年4月15日，坦博拉火山爆發，次年全球氣溫平均下降0.53℃，史稱“無夏之年”，歐洲、北美、亞洲均出現大面積作物歉收和饑荒。1883年5月至10月，喀拉喀托火山爆發，一年後北半球夏季平均氣溫下降0.40℃，五年內全球平均氣溫下降1.20℃，疊加1887年冬末到1888年夏的乾旱，英國各地農作物產量受損。1991年6月15日，菲律賓皮納圖博火山噴發，使北半球平均氣溫下降約0.50℃～0.60℃，全球氣溫下降約0.40℃，影響存續期間，美國多種作物產量下降，其中豆類產量三年下降約35％……

這些可怕的結果不是一蹴而就的。一般來說，火山爆發達到一定強度，就天然給影響範圍內的農業生產壓上了三座“大山”。

第一座山叫“火”。擁有極高溫度的熔岩流在地表，所到之處，寸草不生，更不用說莊稼了，這是最直觀也是最酷烈的影響。

第二座山叫“灰”。雖然叫“灰”，火山灰卻絕不是輕飄飄的塵埃，而是岩漿中誕生的數量龐大的火山碎屑物。幾十釐米的火山灰就能壓塌一棟建築，而對於處於灌漿時期的農作物來說，哪怕是覆上0.1毫米都會導致絕收。當然，火山灰也會通過散射和吸收太陽輻射造成降溫，但由於其主要成分爲硅酸鹽顆粒，粒徑一般都在2微米以上，在重力或者雨水的沖刷等作用下，可以很快從平流層中清除，此種影響較爲有限。

第三座山叫“氣”。火山噴出高濃度聚集的二氧化碳氣體可能會使農作物和牲畜窒息死亡，更可怕的是，其噴發釋放的二氧化硫氣體上升進入平流層，形成的硫酸鹽氣溶膠可在平流層中存留數年之久，通過散射和吸收太陽輻射影響全球氣候變化，造成氣候變冷、陰雨天增加。此外，二氧化硫氣體還可能在火山的下風區域形成酸雨，導致作物減產。

當然，若是把時間尺度再拉長一些，數年、數十年甚至數百年後再看，火山灰將沉降、分解形成肥沃土壤，含有大量農作物需要的磷、鉀等成分。大洋深處噴出的火山熔岩開疆拓土，冷卻形成堅硬的岩石，又不斷堆砌最終露出海面成爲島嶼。

伴隨着活躍的火山而生的大量熱水及熱氣蘊藏於地下，爲水產養殖、農用溫室等提供源源不斷的熱能。在歐洲，維蘇威火山地區盛產葡萄，釀出的紅酒回味悠長；在我國，昌樂、潿洲島等地依託火山土壤種出的西瓜、香蕉等作物品質優異，成爲經濟發展的重要動力；在冰島，地熱滋養了全國總面積達19.5萬平方米的綠色溫室，生產的西紅柿、黃瓜可滿足國內70％的市場需求……這些都得益於火山提供的各種“營養”。

火山和農業，在漫長的時間中磨合成了“黃金搭檔”。來源 | 中國氣象局氣象宣傳與科普中心（中國氣象報社）