撲克投資家 - 湯加火山噴發，將如何影響全球氣候？－鑽石舞台

作者 |中信建投期貨研究發展部田亞雄

聶家琪，陳雪，張靜雯對本文有貢獻

來源|CFC農產品研究

編輯 |撲克投資家，轉載請註明出處

「數百年的沉睡是為了醞釀一次爆發，在那一刻人類本能地感受到渺小和卑微。」

湯加火山的擔憂情緒在短周期內達到高峰，但「無夏之年」等浩劫尚屬於大膽猜測的範疇，且大概率預期瓦解，從已經確認的數據上看，本次噴發的規模較1815年坦博拉火山尚有極大的能級差距。哨兵5號衛星探測本次的二氧化硫釋放共約40萬噸，而1991年造成全球「失溫」的菲律賓皮納博圖火山噴發高達2000萬噸。

我們理解目前值得我們探討的話題一方面是展望後續可能氣象的影響，另一方面是重新審視人類和地球的關係，並再次去認識世界。比如，火山的高頻活動以地日周期為規律，深刻地影響着地球的冷暖周期。

過去20萬年間幾乎每次冰期的建立和急劇變冷都和大規模火山爆發有關

火山活動存在比較明顯的活躍期和沉寂期，全球強火山活動存在顯著的88年左右世紀尺度周期循環和33年左右年代際尺度周期循環。這一方面說明，火山活動中蘊含着太陽活動周期成分，也說明北半球地面溫度88年周期波動可能是對火山活動88年周期的響應。——學者曲維政等

圖：高強度的火山噴發與地球降溫的時點對應

數據來源：亞熱帶資源與環境學報

本文重點梳理：

01-本次湯加火山爆發的影響

02-火山噴發對氣候的影響

03-火山活動與天文周期

本次湯加火山爆發的影響

事件描述：1月14日和15日，湯加火山的大規模噴發產生了到達平流層的火山灰，造成了重大的區域影響。1月17日獲得的衛星圖像顯示，以前合併的大部分島嶼已被摧毀，只剩下位於海面上方的亨加湯加東北島(200米長)和亨加哈帕伊西南島(700米長)的一小部分。

湯加地質服務局(TGS)稱，1月15日17時，努庫阿洛法(南65公里)的居民聽到了多次巨大的隆隆聲，並看到了一個巨大的不斷擴大的噴發羽流，最終覆蓋了所有湯加島嶼。衛星數據集的分析表明，羽流可能已經上升到30公里

1月18日，湯加政府提供了關於火山爆發及其影響的最新情況，高達2米的海嘯波抵達湯加塔普島、尤亞島和哈帕伊島的西海岸，湯加有三人被證實因此死亡，還有許多人受傷。

火山噴發的主要影響體現為：

1、二氧化硫的釋放，酸雨的增加。

2、火山灰對建築物的負載。

3、火山灰阻擋地球對太陽光照的吸收，帶來全球氣溫的下降和農作物的歉收。

全球比較標誌性的幾次火山噴發：

老喀拉喀托火山於1883年發生等級為VEI-6的大爆發，爆炸威力相當於廣島原子彈的1.2萬倍。這次火山的爆發引發了海嘯，造成了五萬多人死亡。此外，老喀拉喀托火山的爆發也打破了大氣循環的平衡，引發極端天氣，讓全球進入長達四年的「火山冬天」。

1991年菲律賓皮納圖博火山噴發，當時的火山噴發指數達到了VEI-6級，且噴出有約100億噸的岩漿和2千萬噸的二氧化硫。這些懸浮在氣體介質中中的含硫顆粒形成大量氣溶膠，數月後變為硫酸霧，長時間散射太陽輻射，導致1991年到1993年全球平均氣溫下降了約0.3℃—0.5℃。

本次湯加火山區域所在的西南太平洋，位於澳大利亞板塊的東北緣，常年火山活動和地震活動都很強烈．西部由新幾內亞和所羅門島弧組成，;中部斐濟是新赫布里底、瓦努阿圖組成;而東部湯加-科馬德克-新西蘭組成。

湯加火山的爆發指數VEI尚沒有非常可靠的判斷，重點值得我們重視的是火山噴出的含硫氣體經常與水發生反應，形成一種高反射粒子硫酸鹽，數萬噸的高反射粒子衝破對流層，到達平流層，阻礙地球對陽光的吸收，使地球溫度降低。但依據其所處的南太平洋區域特徵，我們尚沒有依據將重現1815年坦博拉火山造成的無夏之年的天氣災害，那一年的噴發位置處在赤道附近，且爆發能級更高，所噴發出的火山灰規模是本次湯加火山的百倍以上。衛星監測圖，湯加火山噴發首日，二氧化硫的釋放量為6.2萬噸，尚不足以對全球氣溫變化形成巨大改變。

但本次火山爆發仍不可避免對後期的氣象情況帶來衝擊，主要體現在兩個方面：

一是爆發點附近的海水倒流，在短期內造成北半球冷流的大規模南下，這將造成極強的對流時間，威脅澳大利亞，新西南等國的農作物產量和附近海域的航運。

二是太平洋西部水域的降雨將加速尼諾指數上行，有形成強厄爾尼諾的可能，屆時將造成東南亞乾旱和南美多雨，對後續東南亞棕櫚油的產量形成威脅。

圖：火山噴發的氣候影響示意

數據來源：中信建投期貨研究

湯加火山所處的地理位置並沒有跟全球主要的海運線路重疊，而引發的海嘯尚沒有對海運造成顯著的衝擊。此外，按目前媒體報道的二氧化硫的釋放量為6.2萬噸，這個量級對航空器發動機影響的概率也相對偏低。更值得重視的是，噴發後太平洋強對流天氣的增多對局部地區的影響，但仍有待跟蹤。

本次火山噴發也讓公眾留意到了全球目前多達1350座的活火山，大部分火山的形成是板塊運動的結果，是地球動力學過程的重要現象（Press等，1982）。全球現今活動構造劃分為環太平洋、大洋中脊和大陸三大構造系統（馬宗晉等，2003）。全球火山活動分西太平洋火山活動區、東太平洋火山活動區以及大西洋火山活動區（洪漢淨等，2003，2009）。位於太平洋板塊西南緣的印度尼西亞、菲律賓和日本等國家，擁有的火山數量為全球正在活動火山數量的1/3，全球活動火山約有80%分布在環太平洋地區（Siebert等，2010）。

在地質構造環境上，大部分活動火山都分布在地殼中的斷裂帶上。具體可分為環太平洋火山帶、地中海一印度尼西亞火山帶、大洋中脊火山帶和紅海沿岸與東非火山帶。

圖：全球火山分布

數據來源：USGS

其中，環太平洋火山帶（RingofFire）是一個圍繞太平洋經常發生地震和火山爆發的地區，全長4萬千米，呈馬蹄形。環太平洋火山帶上有一連串海溝、火山弧和火山帶，和板塊移動。它有452座火山，是占有世界上活躍和休眠火山的75％以上。地球上90%的地震以及81%最強烈的地震都在該地帶上發生，第二個最猛烈的地震帶是從爪哇島、蘇門答臘島伸延至喜馬拉雅山脈、地中海以及大西洋的阿爾卑斯帶，地球上6%的地震和17%最強烈的地震在這裡發生。第三個最猛烈的地震帶則是大西洋中洋脊。

根據美國史密森尼學會全球火山（GVP）項目統計，過去1萬年間，全球累計有1350次火山噴發；過去10年（2011-2021）間，每年都有68-83座火山發生活動，涉及27-40個國家，但絕大多數火山爆發指數（VEI）都在2級以下，VEI指數每增加1級，火山爆發的威力會增大10倍，大型火山爆發的VEI指數均在4級以上。

表：2011-2021世界火山噴發概況

數據來源：US Geological Survey's Volcano Hazards Program

火山噴發對氣候的影響

火山噴發影響全球氣候的理論機制火山噴發在地球歷史上是相對常見的內動力地質過程．火山噴發對氣候的影響主要有以下方面:釋放能量，噴出大量的岩漿冷卻凝固成岩石;帶來大量的氣體如水蒸氣、CO2、SO2等;還會形成大量的氣溶膠和固體懸浮小顆粒．火山噴發產生大量的岩漿，並釋放能量。

火山噴發產生大量氣體，最主要的是水蒸氣、CO2、SO2、H2S、HCl以及少量的HF氣體。火山活動對氣候變化的主要影響就是火山懸浮顆粒和SO2氣體．火山噴發會形成大量的細顆粒灰塵(懸浮質)，這些物質可以隨火山噴發氣體上升到平流層，並在隨後的幾個月至幾年內減少太陽對地表的直接輻射量，並增加雲層向外太空的散射和反射能量，由此降低地表的溫度．這些細小的顆粒還會在高層大氣環流的帶動下向全球擴散，使火山活動的影響擴大至全球。比如，在噴發高峰的1百萬年期間，火山噴發導致全球地表溫度平均降低10～15℃，

火山噴發出來的氣體上升高度可達16～32km，進入平流層．因此，其中的SO2也就隨之進入平流層．在平流層里，不同高度的氣體交換非常緩慢，SO2可以在某個高度停留較長時間．平流層里的SO2經過緩慢氧化並與羥基反應，形成硫酸，進一步形成硫酸鹽固體顆粒，最後形成氣溶膠，氣溶膠會逐漸下沉抵達地面。SO2形成的硫酸和硫酸鹽氣溶膠遞減時間是35天，而硫酸和硫酸鹽形成的氣溶膠沉積的時間是12到14個月，存留時間較長。

學者對火山噴發對溫度影響的論據梳理及觀點歸納：

殷鴻福等發現中國華南地區二疊系與三疊系交界處廣泛分布着火山岩或凝灰岩，並含有火山成因的結構、構造及礦物，說明火山活動與這個時期的生物大滅絕有密切的聯繫

深海岩芯研究表明，近2百萬年以來，火山活動明顯加強．在印度洋深海沉積中，存在一層火山灰，研究表明，此火山灰層是火山強烈噴發形成的．同時，南極冰芯記錄的非海相硫酸鹽的含量顯著增加．據估算在此期間，可能有數十億噸的火山灰和氣溶膠噴發到平流層，造成全球降溫3～5℃，並持續數年之久．

費傑、周杰等發現公元934年冰島的Eldgja火山噴發，導致中國939—942年降溫，其中洛陽、開封地區的降溫幅度達到5～8℃。

1600—1850年是歷史時期火山活動頻繁且強度較大的時期，同時也是大家所熟知的明清小冰期時期。

大火山噴發後的1-2年全球年均溫下降約0.3℃，之後逐漸回升，約4-5年恢復正常，小火山噴發對全球溫度影響很小，影響時間較短．火山噴發對南北半球的影響也有差別，北半球火山噴發後的2個月北半球氣溫下降明顯，南半球噴發後18個月北半球氣溫降幅最大．

據徐群等跟蹤研究，菲律賓皮納圖博火山1991年6月中旬出現了多次的大爆發，大約超過20Mt的SO2進入18～30km的平流層，形成20世紀最大的一次火山雲事件，在其後的1992年中國夏季和秋季出現了大範圍的低溫現象，東北至內蒙古地區和長江下游地區甚至都出現了不同程度的冷害．據衛星資料顯示，北半球1992年是近10年來最冷的年份。

火山活動與天文周期

由銀河年周期推演出的太陽輻射量和太陽系速度的變化周期可以推導出地球的減速運動，而在減速過程中，地球內部能量將有間歇性的顯著釋放過程，這與火山活動形成對應關係。

銀河年周期變化以3億年為周期，地球溫度偏高的峰值對應遠銀心點，而地球溫度偏低的谷值對應近銀心點，多為大冰期。伴隨着太陽系從遠銀心點向近銀心點的運動，地球上的岩漿噴發強度趨於減弱。雖然短周期火山活動有短期降溫效應，但長周期火山活動與溫暖期相對應。地球變暖的過程中，火山噴發充當的是地球表面溫度的調節器，火山噴發出的小顆粒火山灰抵達平流層後可以抵禦部分的過多的太陽輻射。

學者曲維政等指出過去20萬年間幾乎每次冰期的建立和急劇變冷都和大規模火山爆發有關,同時也說明火山活動存在比較明顯的活躍期和沉寂期，全球強火山活動存在顯著的88年左右世紀尺度周期循環和33年左右年代際尺度周期循環。這一方面說明，火山活動中蘊涵着太陽活動周期成分，也說明北半球地面溫度88年周期波動可能是對火山活動88年周期的響應。

圖：太陽黑子周期

數據來源：NOAA

地球板塊間的碰撞，地震，火山活動和異常氣象之間多是伴生關係，而並沒有非常嚴密的因果關係。在更大的尺度上，多類地質活動和氣象變化都依附於地球自身及與其他天體的運轉規律，並以此為邏輯展開周期性變化。

太陽黑子數量存在11年左右的周期。太陽活動活躍時，會使得地球氣溫升高，降雨量增多。太陽黑子活動主要通過三種方式影響地球氣候：通過改變大氣電離度影響氣候；通過熱輻射影響氣候；通過地磁場的變化影響氣候。美國的海爾發現太陽黑子的磁極以22年輪換一周，即為兩倍的施瓦貝循環。

在地磁極性轉化時期，地磁強度從強變弱甚至消失，射向地表的宇宙射線增強，太陽風中的高能粒子破壞臭氧層，使得原本被臭氧層和電離層滯留在平流層之上的9%左右的太陽輻射被射向地表，地表升溫。有證據表明，當前正是地球磁場轉弱時期，可能就是火山活動強烈的時期。

不論是當前的高能量火山噴發，還是雙拉尼娜現象，以及南美大旱，撒哈拉沙漠降雪，中國降雨帶北移，目前已經有相當多的氣候異常現象頻繁出現，或正形成相互印證的證據鏈條說明地球正經歷顯著的變化。雖然暫時尚無充分證據去歸因於人類活動，但值得警惕的是異常天氣的多米諾效應正在展開，這個過程讓全球的農作物生產備受挑戰。

參考資料：

李靖等，火山活動對氣候的影響，氣象科技

曲維政等，火山活動的周期性及其在若干氣候要素中的反映，地球物理學報，2011年

李平原等，火山活動對全球氣候變化的影響，亞熱帶資源與環境學報，2012年

王佳龍等，全球活動火山時空分布以及阿貢火山噴發前後的形變特徵，震災防禦技術，2017年

楊學祥等，火山活動與天文周期，地質論評，1999年