Hunga Tonga-Hunga Ha’apai 的喷发是有记录以来最强大的喷发之一。
NASA 地球观测站/NOAA/NESDIS/STAR
1883 年 8 月，印度尼西亚一个名为 Krakatau 或 Krakatoa 的多山岛屿自毁。偶发的火山喷发在一次爆炸中愈演愈烈，产生了 80 公里高的碎片，并使地球表面 800,000 平方公里的腐蚀性灰烬窒息。随着岛上大部分地区爆炸并溅入大海，一场海啸升起并袭击了附近的爪哇岛和苏门答腊岛，造成了大部分喷发的 36,000 人死亡。
虽然印度尼西亚首当其冲，但喀拉喀托火山喷发在世界范围内产生了令人困惑的影响。不知何故，小型海啸袭击了太平洋和大西洋国家的海岸线，尽管喀拉喀托岛的海啸似乎不可能从印度洋跨越大陆进入其他海洋盆地。由于缺乏任何其他解释，当时的科学家将这些遥远的海啸归咎于巧合的地震。
但随后几十年的地球物理学家一直对这些数据感到困惑。例如， 1955 年的一项研究发现，遥远的海啸与喷发时通过空气向外传播的压力波的到来有关。该研究的作者推测，这种大气扰动和水之间发生了某种耦合。 2003 年的计算机模拟进一步支持了这一点，表明喀拉喀托岛的主要海啸，即使它确实穿过大陆的缝隙到达太平洋和大西洋，也落后于夏威夷、加利福尼亚和阿拉斯加等地的小海啸，相反，它与爆炸产生的更快的压力波同步。 （频率在听觉范围内的压力波称为声音。）
为了证实火山的声波或压力波可能导致海啸的推测性观点，科学家们需要看到另一个版本的喀拉喀托火山在现代实时上演——当然，这是一个尴尬的愿望。
1883 年喀拉喀托火山爆发的 1888 年石版画。
然后，在 2022 年 1 月 15 日，南太平洋一个名为 Hunga Tonga-Hunga Ha’apai 的大部分被淹没的火山大锅发出了噩梦般的咆哮。它的蘑菇状火山灰云和当地的海啸摧毁了汤加群岛王国。尽管它造成的死亡人数很少，但这座火山打破了各种记录：它在通往太空的三分之二处爆炸了碎片；它的火山灰云每小时产生多达 200,000 次闪电放电；爆炸本身是有记录以来最强大的爆炸之一。
美国地质调查局阿拉斯加火山观测站的地球物理学家马修·哈尼说，就爆炸的规模和能量而言，汤加事件“基本上就像喀拉喀托火山 2 号”。在哈尼所在的安克雷奇，可以听到类似枪声的声音。 “我们在 6,000 英里之外。你能听到火山喷发的声音吗？哇。这简直让我大吃一惊。”
不仅是 Hunga Tonga-Hunga Ha’apai 的声音传遍了世界。一连串的海啸，几十厘米高，在不同的海洋盆地中溅到遥远的海岸上。 “我们没有预料到加勒比海会出现海啸信号，”美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 的海洋学家 Paul Fanelli 说。
这一次，科学家们认为他们已经找到了解决方案。当地球上的波高计与相应的气压传感器相匹配时，很明显，爆炸产生的压力波一定与多个海洋表面相连，将能量转移到水中，并引发了无数海啸。
这一解释同时解开了一个关于喀拉喀托岛的 139 年之谜。 “鉴于 1883 年观察到的情况……当时也会发生这种情况是有道理的，”美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 的物理海洋学家格雷格·杜塞克 (Greg Dusek) 说。 “两组观察结果似乎都很好。”
但与所有广泛的科学发现一样，新的问题也出现了。火山的压力波何时以及为什么会与海浪进行探戈？为什么汤加遥远的海啸只出现在某些海岸线？这些海啸的威力和潜在的破坏性究竟有多大？
海啸学校
通常，要制造海啸，您需要将大量物质推入水体以取代它。地震以一种直接的方式做到了这一点。 “地震海啸非常非常简单，”新西兰国家水与大气研究所的流体动力学家Emily Lane说。 “水下发生了地震，实际上导致海底变形，变形传播到水面，然后以海啸的形式辐射出去。”
火山海啸更为复杂。碎屑喷入或溅入水中，火山本身的部分或完全坍塌以及水下爆炸都可以取代水。在接下来的几个月里，对洪加汤加-洪加哈帕伊周围海底的调查工作将查明是哪个过程或多个过程的组合产生了区域性的经典海啸。
但在那次大海啸穿越太平洋到达日本前近三个小时，小波峰抵达了东京以南约 1000 公里的小笠原群岛。同一天，从波多黎各到墨西哥的加勒比海，甚至距离火山喷发1.8万公里的地中海，也出现了类似的山峰。
这些小而快的波浪让一些科学家想起了地球制造海啸的一种不太传统的方式：利用大气层。
风暴有时会产生持续而严重的大气扰动。 1929 年，英国数学家和海洋学家约瑟夫·普劳德曼假设，如果扰动在水体上方以一定速度移动，它可以引发现在称为普劳德曼共振的东西。他的方程式表明，大气压力波可以将能量传递给水中的波浪，使它们变得更大。当这些放大的海浪袭击海岸时，它们被称为meteotsunamis。
Proudman 的数学最终表明，当大气扰动以与水波相同的速度传播时，能量从天空到海洋的转移是最有效的。而水波的速度取决于水的深度。
不列颠哥伦比亚省悉尼海洋科学研究所气象海啸专家亚历山大·拉比诺维奇说，风暴往往会产生每秒传播数十厘米的大气压力波。在如此缓慢的速度下，压力波与在浅水体中发现的同样缓慢的水波产生共振，从而引发主要的气象海啸。
这就是为什么它们每年在美国东海岸、墨西哥湾和五大湖的相对浅水区出现数十次，有时甚至会造成致命影响：1954 年密歇根湖发生 3 米高的气象海啸，造成 7 人死亡人们。在极少数情况下，这些气象海啸可以与地震造成的海啸相媲美：1978 年，6 米高的气象海啸波威胁着克罗地亚的港口城镇 Vela Luka，并在几个小时内反复撞击它。
汤加 1 月喷发引起的海啸与气象海啸非常相似——正如众多海洋学家、物理学家和火山学家在火山爆发顶峰数小时后几乎一致意识到的那样。 “所有的力学和物理学都非常相似，”科罗拉多矿业学院研究水圈、冰冻圈和大气之间相互作用的研究员埃里克·安德森说。除了这里，还有一个关键区别。 “整个地球都受到影响，”拉比诺维奇说。
世界各地的咆哮声
研究人员尚未就在这种情况下负责的压力波的具体类型或类型组合达成一致。汤加喷发产生了多种大气扰动，包括短暂的冲击波和环球声波。通过将大量空气向上推开，爆炸还产生了所谓的大气重力波。这些是当冷空气团迅速上升，然后服从重力并下沉到海平面时产生的，基本上像锣一样撞击平流层并产生向各个方向水平传播的压力振荡。
鉴于海啸出现的具体位置，许多研究人员认为汤加的大气重力波最有可能是遥远海啸的来源。重力波以达到或超过每秒 300 米的速度穿过地球。为了获得 Proudman 的共振，水波必须以相当快的速度移动，这需要异常深的水。 “要让海浪走得这么快，你需要大约 9,000 米的水，”Dusek 说，“而且没有多少地方可以达到这样的水深。”因此，强烈的海啸发生在加勒比海和日本南部，海沟深度超过 8,000 米。
汤加喷发产生的压力波波及全球，如气象卫星数据动画所示。
马萨诸塞大学洛厄尔分校 Mathew Barlow 博士
在这些地方，海浪确实以接近音速的速度移动。这可能难以想象，但是，在开阔的海洋中，波浪基本上是看不见的。 “在你撞到浅水之前，海浪在海面上并不明显，”杜塞克说。
根据美国地质调查局太平洋海岸和海洋科学中心的地球物理学家 Eric Geist 的说法，尽管 Proudman 共振可能在这两个海沟上最有效，甚至在其他地方，因为大气重力波穿过开阔的海洋，一些共振和海浪放大会发生。靠近受影响海岸线的海底水下地形也可能放大了来袭的海啸波。
与深沟理论一起，这些想法需要进一步研究才能得出明确的结论。并且其他类型的压力波可能具有进一步放大的波高。但即使在这个早期阶段，也没有人怀疑汤加的戏剧性喷发使世界另一端的海洋畏缩、波峰和震荡——目前的这一发现几乎证实了过去的一个非凡概念。
物理学怪癖
鉴于汤加和喀拉喀托火山事件之间的“高度相似性”，用拉比诺维奇的话来说，喀拉喀托火山全球海啸的冷案可以结束。但就像在喀拉喀托一样，汤加的混乱也引发了新的质疑。
遥远的海啸可能并不危险，但汤加火山本身引起的局部海啸肯定是危险的。汤加有自己的深沟，因此在喷发附近似乎也产生了 Proudman 共振。 “它增加的峰值波高是否比仅从地震信号中预期的高一点？”杜塞克问。
波浪的高度从未接近某些风暴造成的meteotsunamis的高度，这让我松了一口气。但情况会一直如此吗？研究人员想知道，要产生更大的气象海啸事件，你需要多大的爆炸力。莱恩指出，陆地上的火山也能产生巨大的繁荣——那么它们也能引发遥远的海啸吗？
像 Krakatau 和 Hunga Tonga-Hunga Ha’apai 那样可怕的火山爆发在人类时间尺度上极为罕见。到目前为止，这种可怕的咆哮似乎无法在全球范围内造成严重的波峰。当谈到由大气引起的海啸时，“从公共安全的角度来看，天气驱动的气象海啸仍然是我们真正关心的问题，”杜塞克说。
汤加的海洋表现不是恐怖表演。但它确实提醒科学家，即使是最小的物理学怪癖，大自然的部署也会导致全球性后果。