隐藏在大气里的神秘讯息!用气象卫星监测火山爆发产生的气象波动与环境污染

  • 作者/邱麒豪(国立中央大学大气物理研究所博士候选人)、刘千义(中央研究院环境变迁研究中心副研究员)

咦!地球彼端的火山爆发和我们有什麽关系?

距离台湾八千多公里的东加王国发生了前所未有的火山爆发,当太平洋周遭国家开始担心海底火山喷发引起海啸的同时,却有更多不为人知的事情正悄然发生。到底火山喷发的同时除了引发海啸还造成什麽样影响呢?让我们一同来了解!


看不见也摸不着的气象波动——大气重力波

大气的重力波现象并不罕见,通常是垂直方向上的气块受到扰动,在浮力(作为恢复力)与重力的双重影响下而在水平面上形成振荡式的波动。

常见的气流流经山峰并在背风处产生圆盘状的云系(荚状高积云),以及晴朗稳定天气下出现的波状高积云即为大气重力波在自然这张画布下最好的图绘。而火山爆发,同样有机会引起大气重力波。

西元 2022 年 1 月 15 日,台湾时间下午 12 时 20 分(事发当地时间下午 5 时 20 分)左右,位於西南太平洋岛国——东加王国首都努瓜娄发(Nuku’alofa)北方65公里的洪加汤加-洪加哈派(Hunga Tonga-Hunga Ha’apai)海底火山大规模爆发,伴随而来的地震与引起的海啸引发世界的关注。

这场可能是 21 世纪以来最大规模的火山喷发,其一连串的後续效应不仅被地震仪及海象仪器记录下来,当天下午 8 时左右,台湾的气象站也陆续观测到海底火山喷发造成的气压变化,根据观测资料显示,这次的海底火山喷发事件在台湾造成的气压变化量约 1 至 2 百帕(hPa),这大约是日常标准大气压力的千分之一至千分之二的变动(图一)。

若将地面气压资料的解析度提高到每分钟,并将中央气象局109个局属测站由东南向西北排列,绘制成台湾高密度测站气压扰动的二维时间序列图(图二),火山喷发由东南向西北传递的能量作用於大气中最先於台湾东南方的兰屿测站测量到,时间上和最晚被观测到的马祖测站相差约 25 分钟。其次,火山喷发造成的大气波动除了气压变化最为剧烈的主波外,尚有前导波与数次的余波产生。

综观全球的大眼睛——从气象卫星看见大气重力波

从上图可以观察到,这些波动的周期约为 10 到 15 分钟,不容易从 10 分钟的观测资料中发现。目前在西太平洋与东太平洋地区监测的地球同步卫星向日葵八号(Himawari-8)与 GOES-17,可分别提供 2.5 分钟与 1 分钟高解析度的卫星观测,对於高频的大气波动将有比过往更好的解析能力。

不只是地面气象观测站,位於地球上空 3 万 6 千公里的地球同步卫星同样也捕捉到火山喷发的证据。日本气象卫星 Himawari-8 观测到火山喷发後产生的阵阵涟漪(图三),以火山喷发口为中心产生的涟漪即为大气的重力波现象。

东加王国所在的区域不仅位於向日葵八号的观测网内,也涵盖在美国的地球同步卫星 GOES-17 监测之中。下图(图四)为 GOES-17 气象卫星红外线水气频道每 10 分钟的亮度温度差,藉由对流层中层的水气频道云图可以明显看到火山爆发产生的内重力波由火山口为圆心向外传递。

火山喷发引起快速上升的气流与火山灰造成的重力波现象在学理上是可行的,但在观测上实属少见,特别是海底火山能将大量的火山灰与气体穿过海洋快速释放至大气中,并造成如此壮观的大气波动并不是件容易的事。

这场大气波动产生的云系高度深,范围广,观测到的云顶红外线亮度温度达 -105.18ºC 可能打破了自 20 世纪末有云顶温度的监测以降,最低温的纪录(图五)。

除了上述的两颗地球同步卫星,搭载於美国国家航空暨太空总署(NASA)之 Aqua 卫星上的大气红外探空仪(Atmospheric Infrared Sounder,AIRS)也同时发现了此一现象(图六)。德国尤利希超级运算中心的大气科学家——霍夫曼博士(Dr. Lars Hoffmann)说:「AIRS 自 2002 年 5 月开始观测以来,从未在过往的火山喷发个案中发现过类似的情况」,这也意味着这次的海底火山喷发事件是前所未有的剧烈。

英国牛津大学物理系大气、海洋与行星物理组的气候科学家 Scott Osprey 博士也表示:「这次喷发可能会干扰热带地区风向周期性的逆转,长远看来或许会造成欧洲地区天气型态的改变,必须非常小心地关注它造成的变化」,可见整个地球系统都可能因为这次的火山爆发造成巨大的影响。

云图之外——卫星於污染物探勘之应用

卫星不仅仅能够监测云层的移动与大气中的水气分布,近年来较为广泛的应用是使用卫星针对大气中的污染因子做大范围的遥测。举凡工业污染排放之气溶胶、交通源排放之二氧化氮,以及生质燃烧产生之烟尘与黑碳微粒,均可藉由卫星的观测进而推估污染程度,并搭配气象模式的模拟进行短期的预警。

下图(图七)为 NASA 的 Suomi-NPP 卫星观测到的气胶垂直剖面分布与云顶高度,可以清楚看到伴随火山喷发的气胶粒子冲破对流层进入平流层,高度可达 30 公里。这些气胶粒子在平流层中不易沉降至地表,长期下来可能会对气候造成重大影响。举例而言,气胶依照光学特性的不同可粗略分为散射能力较强与吸收能力较强的两大群体,散射能力较强的气胶进到平流层中将造成更多的太阳短波辐射被反射回外太空,进而降低地球平均温度(气胶直接效应);反之吸收能力好的气胶则是会让地球温度上升。

而对流层中的气胶对气候的影响更为复杂,会进一步改变云的微物理状态,在特定条件下吸湿性高的气胶容易成为云的凝结核,若大气中的水气含量不变,这些新形成的云凝结核有可能与大气中既有的云滴竞争原先的水气,进而致使云滴数目增加且云滴平均的粒径降低,进而散射截面积增加,反射更多太阳光而达到降温的效果。但也因为云滴粒径变小後,变得不利於云滴粒子间的碰撞合并过程而形成为雨滴,使得地表降水减少与云的生命周期增加,此谓气胶间接效应。

不管是气胶的直接效应或是间接效应都非常复杂,会受到气胶种类、气胶数量、气胶粒径分布、大气条件等影响,也正因为充满了各种不确定性,气胶的气候效应预测非常困难,目前还需要更多的观测,特别是用大范围的卫星观测加以验证与评估。

火山喷发除了气胶粒子的污染以外,对环境造成的另一个冲击是大量的气体被释放到大气中。常见的火山气体有:水气(H2O)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)与氮氧化物(NOx)等。

以二氧化硫为例,评估大气中微量气体多寡的单位为杜布森(Dubson, DU),指的是一大气压的空气柱中,该气体分子累积起来的厚度(垂直积分)多寡。若将气柱中的二氧化硫全部累积在一起相当於 10 微米厚,称为 1 DU 的二氧化硫。SO2 气候平均值约略低为 0.5 DU,欧洲气象卫星开发组织(EUMETSAT)的 MetOP-B 与 MetOP-C 观测到的峰值高达 50 DU 以上,高於气候平均值 100 倍。(图八)

气象与环境卫星遥测之展望

近年随着科技的发展与遥测技术的精进,气象卫星能提供的不仅仅是精美的天气云图,还有许多从云图看不出来的科学议题可加以探讨。这些科学议题不单只存在於象牙塔内,更多且更重要的是生活上的应用。社会大众关心的是:下午的聚会会不会下雨?明天空气污染有多糟?或是下礼拜一晚上会多冷?

卫星掩星观测技术的发展(如:福卫三号、福卫七号、Sentinel-6 等)补足了广大洋面探空资料的缺失以及人力施放的不足,蒐集偏折角资讯与折射率变化推估出的大气垂直温湿度剖面,藉由数值预报模式的资料同化系统改善天气预报的误差。

污染物浓度的监测也可以藉由卫星的观测进行评估,不论是民众在乎的近地表悬浮微粒浓度抑或是工业燃烧造成的空气污染,皆可藉由卫星的探测第一手掌握(如文章提到的 MetOP-B、MetOP-C 以及 Sentinel-5P)。

降雨来自天空中的云,若能对雨的前驱物—云有更深的了解,降雨的推估也能做得更准确。以我们所处的东亚地区而言,像是以 Himawari-8 观测而开发的云微物理科学资料,或是国际上整合多重卫星观测的日本 GSMaP 、美国 NASA IMERG 等卫星推估的地面降水资料就是很好的例子。

当然,科学的发展并不是单纯为民生服务,但在发展科学的同时能兼顾民众的福祉相信也是社会大众所乐见的。

延伸阅读

  1. Liu, C.-Y., C.-H. Chiu, P.-H. Lin, and M. Min (2020), Comparison of Cloud‐Top Property Retrievals from Advanced Himawari Imager, MODIS, CloudSat/CPR, CALIPSO/CALIOP, and radiosonde, J. Geophys. Res., Vol 125.
  2. Lin, C.-A., Y.-C. Chen, C.-Y. Liu, W.-T. Chen, J. H. Seinfeld, C.-K. Chou (2019), Satellite-Derived Correlation of SO2, NO2, and Aerosol Optical Depth with Meteorological Conditions over East Asia from 2005 to 2015. Remote Sens., Vol 11, 1738.
  3. “Explosive eruption of the Hunga Tonga volcano” in CIMSS Satellite Blog.
  4. “Tonga volcano eruption created puzzling ripples in Earth’s atmosphere” in nature’s news article.
  5. 中央气象局预报中心副主任黄椿喜博士脸书
  6. 「报天气-中央气象局」脸书粉丝专页
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