火山碎屑浪涌中的致命脈沖

導(dǎo)讀 火山碎屑浪涌是火山的致命危害，通過(guò)能夠摧毀加固建筑物的 100-102 千帕內(nèi)部流動(dòng)的大動(dòng)態(tài)壓力表現(xiàn)出巨大的破壞性。這些熾熱、快速和湍流...

火山碎屑浪涌是火山的致命危害，通過(guò)能夠摧毀加固建筑物的 100-102 千帕內(nèi)部流動(dòng)的大動(dòng)態(tài)壓力表現(xiàn)出巨大的破壞性。這些熾熱、快速和湍流的氣體和火山灰云對(duì)生命和基礎(chǔ)設(shè)施造成的破壞比目前科學(xué)解釋的要嚴(yán)重得多。但為什么它們的破壞性如此之大?到目前為止，火山碎屑浪涌?jī)?nèi)部的惡劣條件已經(jīng)排除了對(duì)其內(nèi)部運(yùn)作的測(cè)量，因此它們的危害在全球范圍內(nèi)仍未得到很好的緩解。

一個(gè)研究文章剛剛發(fā)表在自然通訊，由一隊(duì)來(lái)自新西蘭，，和瑞士科學(xué)家共同撰寫的，提供了新的見(jiàn)解這個(gè)重要火山災(zāi)害過(guò)程。研究人員通過(guò)大規(guī)模實(shí)驗(yàn)和對(duì) 2019 年 12 月 Whakaari(新西蘭懷特島)致命噴發(fā)的火山碎屑涌動(dòng)的首次直接測(cè)量表明，正是湍流控制并放大了這些流動(dòng)的破壞性。

農(nóng)業(yè)與環(huán)境學(xué)院的 Ermanno Brosch 博士解釋說(shuō)：“眾所周知，火山碎屑涌動(dòng)造成破壞的動(dòng)態(tài)壓力隨著其速度和懸浮在其中的顆粒的相對(duì)數(shù)量而增加。因此，傳統(tǒng)的危害評(píng)估依賴于產(chǎn)生平均動(dòng)態(tài)壓力值的火山碎屑涌動(dòng)的體積速度和體積密度的估計(jì)值，例如可以與流動(dòng)路徑中建筑物的強(qiáng)度進(jìn)行比較?！?/p>

未知的是速度和密度，以及由此產(chǎn)生的破壞力，如何在火山碎屑涌動(dòng)中變化和演化。這就是研究人員在新西蘭使用火山碎屑流噴發(fā)大規(guī)模實(shí)驗(yàn) (PELE) 模擬器在大規(guī)模實(shí)驗(yàn)中合成它們的原因。就像火山噴發(fā)羽流的坍塌一樣，他們加熱天然火山灰和巖石材料，將其從七米高的地方落入儀器通道中，產(chǎn)生兩到八米高的火山碎屑浪涌，以超過(guò) 30 公里的速度移動(dòng)在以 35 米的跳動(dòng)長(zhǎng)度與懸崖相撞之前每小時(shí)。

來(lái)自農(nóng)業(yè)與環(huán)境學(xué)院的 Gert Lube 教授說(shuō)，令他們最初感到驚訝的是，他們對(duì)合成火山碎屑浪涌中的動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量絕不是混亂的?！跋喾矗鼈円詢山M明顯有規(guī)律的壓力振蕩發(fā)生，每組幾乎每 570 和 800 毫秒出現(xiàn)一次重復(fù)峰值。這些流動(dòng)振蕩在熱混合物撞擊地面后立即形成，并在前進(jìn)的過(guò)程中持續(xù)并高速奔跑重要的是，造成破壞的動(dòng)態(tài)壓力的規(guī)則峰值超過(guò)了傳統(tǒng)上為進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)估而估計(jì)的平均值，從而導(dǎo)致對(duì)實(shí)際危險(xiǎn)影響的嚴(yán)重低估。此外，重復(fù)的大壓力脈沖對(duì)由此產(chǎn)生的損壞的影響有點(diǎn)類似于地震序列中的強(qiáng)烈破壞性余震，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)削弱。同樣令人擔(dān)憂的是，壓力波動(dòng)與已知會(huì)導(dǎo)致巨大窒息和燒傷危險(xiǎn)的灰燼濃度和溫度的類似波動(dòng)變化密切相關(guān)。造成損壞、窒息和燃燒危險(xiǎn)的流動(dòng)特性的同步峰值可能會(huì)加劇火山碎屑涌動(dòng)的影響?！?同樣令人擔(dān)憂的是，壓力波動(dòng)與已知會(huì)導(dǎo)致巨大窒息和燒傷危險(xiǎn)的灰燼濃度和溫度的類似波動(dòng)變化密切相關(guān)。造成損壞、窒息和燃燒危險(xiǎn)的流動(dòng)特性的同步峰值可能會(huì)加劇火山碎屑涌動(dòng)的影響?！?同樣令人擔(dān)憂的是，壓力波動(dòng)與已知會(huì)導(dǎo)致巨大窒息和燒傷危險(xiǎn)的灰燼濃度和溫度的類似波動(dòng)變化密切相關(guān)。造成損壞、窒息和燃燒危險(xiǎn)的流動(dòng)特性的同步峰值可能會(huì)加劇火山碎屑涌動(dòng)的影響。”

與這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)發(fā)生的是，華卡里火山噴發(fā)期間產(chǎn)生的火山碎屑浪涌導(dǎo)致 22 名游客死亡，另有 25 人重傷，這是自 1886 年塔拉威拉火山噴發(fā)以來(lái)新西蘭奧特羅阿火山爆發(fā)最致命的一次。

“在處理噴發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，我們意識(shí)到火山碎屑涌動(dòng)在噴發(fā)期間吞沒(méi)了一系列壓力傳感器，這些傳感器通常監(jiān)測(cè)來(lái)自火山及其通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部的爆炸信號(hào)。Whakaari 涌動(dòng)內(nèi)部壓力信號(hào)的特征是與我們的實(shí)驗(yàn)流程相同，只是在我們的實(shí)驗(yàn)中，自然浪涌每分鐘顯示 12 個(gè)這樣的脈沖，而不是每分鐘75 個(gè)壓力脈沖，”布羅施博士說(shuō)。

研究人員表明，火山碎屑浪涌?jī)?nèi)部的危險(xiǎn)脈動(dòng)發(fā)生是因?yàn)榱鲃?dòng)能量集中在最大的湍流渦流結(jié)構(gòu)中并在其中傳輸。他們開發(fā)了一種新的流動(dòng)模型，可以預(yù)測(cè)未來(lái)火山事件中的這些脈沖。這一發(fā)現(xiàn)也適用于雪崩，需要重新評(píng)估火山災(zāi)害模型，以預(yù)測(cè)和減輕新西蘭和其他地方的火山影響。

文章“由湍流波動(dòng)控制的火山碎屑浪涌的破壞性”最近在Nature Communications上公開發(fā)表。