火山碎屑浪涌中的致命脉冲
导读 火山碎屑浪涌是火山的致命危害，通过能够摧毁加固建筑物的 100-102 千帕内部流动的大动态压力表现出巨大的破坏性。这些炽热、快速和湍流...
火山碎屑浪涌是火山的致命危害，通过能够摧毁加固建筑物的 100-102 千帕内部流动的大动态压力表现出巨大的破坏性。这些炽热、快速和湍流的气体和火山灰云对生命和基础设施造成的破坏比目前科学解释的要严重得多。但为什么它们的破坏性如此之大?到目前为止，火山碎屑浪涌内部的恶劣条件已经排除了对其内部运作的测量，因此它们的危害在全球范围内仍未得到很好的缓解。
一个研究文章刚刚发表在自然通讯，由一队来自新西兰，，和瑞士科学家共同撰写的，提供了新的见解这个重要火山灾害过程。研究人员通过大规模实验和对 2019 年 12 月 Whakaari(新西兰怀特岛)致命喷发的火山碎屑涌动的首次直接测量表明，正是湍流控制并放大了这些流动的破坏性。
农业与环境学院的 Ermanno Brosch 博士解释说：“众所周知，火山碎屑涌动造成破坏的动态压力随着其速度和悬浮在其中的颗粒的相对数量而增加。因此，传统的危害评估依赖于产生平均动态压力值的火山碎屑涌动的体积速度和体积密度的估计值，例如可以与流动路径中建筑物的强度进行比较。”
未知的是速度和密度，以及由此产生的破坏力，如何在火山碎屑涌动中变化和演化。这就是研究人员在新西兰使用火山碎屑流喷发大规模实验 (PELE) 模拟器在大规模实验中合成它们的原因。就像火山喷发羽流的坍塌一样，他们加热天然火山灰和岩石材料，将其从七米高的地方落入仪器通道中，产生两到八米高的火山碎屑浪涌，以超过 30 公里的速度移动在以 35 米的跳动长度与悬崖相撞之前每小时。
来自农业与环境学院的 Gert Lube 教授说，令他们最初感到惊讶的是，他们对合成火山碎屑浪涌中的动态压力的测量绝不是混乱的。“相反，它们以两组明显有规律的压力振荡发生，每组几乎每 570 和 800 毫秒出现一次重复峰值。这些流动振荡在热混合物撞击地面后立即形成，并在前进的过程中持续并高速奔跑重要的是，造成破坏的动态压力的规则峰值超过了传统上为进行危险评估而估计的平均值，从而导致对实际危险影响的严重低估。此外，重复的大压力脉冲对由此产生的损坏的影响有点类似于地震序列中的强烈破坏性余震，导致建筑结构的连续削弱。同样令人担忧的是，压力波动与已知会导致巨大窒息和烧伤危险的灰烬浓度和温度的类似波动变化密切相关。造成损坏、窒息和燃烧危险的流动特性的同步峰值可能会加剧火山碎屑涌动的影响。” 同样令人担忧的是，压力波动与已知会导致巨大窒息和烧伤危险的灰烬浓度和温度的类似波动变化密切相关。造成损坏、窒息和燃烧危险的流动特性的同步峰值可能会加剧火山碎屑涌动的影响。” 同样令人担忧的是，压力波动与已知会导致巨大窒息和烧伤危险的灰烬浓度和温度的类似波动变化密切相关。造成损坏、窒息和燃烧危险的流动特性的同步峰值可能会加剧火山碎屑涌动的影响。”
与这些实验结果同时发生的是，华卡里火山喷发期间产生的火山碎屑浪涌导致 22 名游客死亡，另有 25 人重伤，这是自 1886 年塔拉威拉火山喷发以来新西兰奥特罗阿火山爆发最致命的一次。
“在处理喷发数据时，我们意识到火山碎屑涌动在喷发期间吞没了一系列压力传感器，这些传感器通常监测来自火山及其通风系统内部的爆炸信号。Whakaari 涌动内部压力信号的特征是与我们的实验流程相同，只是在我们的实验中，自然浪涌每分钟显示 12 个这样的脉冲，而不是每分钟75 个压力脉冲，”布罗施博士说。
研究人员表明，火山碎屑浪涌内部的危险脉动发生是因为流动能量集中在最大的湍流涡流结构中并在其中传输。他们开发了一种新的流动模型，可以预测未来火山事件中的这些脉冲。这一发现也适用于雪崩，需要重新评估火山灾害模型，以预测和减轻新西兰和其他地方的火山影响。
文章“由湍流波动控制的火山碎屑浪涌的破坏性”最近在Nature Communications上公开发表。
