超级火山喷发是否会导致人类毁灭?

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Image caption 壮观的自然景观 ——火山羽。

在意大利那不勒斯湾,有迹象显示欧洲最臭名昭著的火山巨人正在从长眠中苏醒过来。

坎皮佛莱格瑞(Campi Flegrei),一个也可翻译为"燃烧场"的火山,是一座超级火山。它由数十万年前形成的广泛而复杂的地下网络组成,从那不勒斯郊区延伸到地中海下方。约有50万人生活在坎皮佛莱格瑞的七英里长的火山口,该火山口由20万、3万9千、3万5千和12万年前的大规模火山爆发形成。

过去500年来,坎皮佛莱格瑞相当平静。自1538年以来一直没有爆发,一个相对较小的喷发导致形成了一座"新山" ——诺沃山(Monte Nuovo)。但最近有迹象显示,这个休眠期可能即将结束。

随着火山口内造成变形和升温的进程加速,意大利政府于2016年12月提高了火山的威胁警戒水平。人们越来越担心深处的岩浆可能达到"严重排气压力",突然大规模释放的火山气体可能会突然将热量注入周围的热液和岩石。当这种情况到达一定严重程度,就可能会在火山内造成灾难性的岩石破坏,从而触发喷发。与此相吻合,2017年5月发表的一项研究发现,超级火山几十年来一直在朝着爆发的方向积聚力量。

但是,困扰人的难题不是火山是否会爆发,而是会在什么时候爆发、规模有多大。

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Image caption 那不勒斯湾因几次大规模火山爆发而形成。

“坎皮佛莱格瑞处于危急状态,"博洛尼亚国家地球物理学和火山学研究所(National Institute of Geophysics and Volcanology in Bologna)的安东尼奥·科斯塔(Antonio Costa)说,他是超级火山监测团队的一员。 "在概率方面,我们预计会有一种叫做'暴力的斯特隆布利式(Strombolian)爆发',规模比超级爆发要小,但是,要想判断它在未来几年内是否肯定会爆发并不容易,坎皮佛莱格瑞在监测期内还没有过爆发,所以我们无法做到准确预测。"

一场暴力的斯特隆布利式爆发会将熔岩和火山气体爆炸至几千英尺的高空。这肯定会是一个重大事故,成千上万人将面临被撤离。但是,鉴于坎皮佛莱格瑞的过去,爆发不会很严重。

最臭名昭著的超级火山爆发是大约39,000年前的坎帕尼亚(Campanian)熔岩爆发事件。大约有300立方公里的熔岩和45万吨二氧化硫被推送至大气平流层70公里处。火山灰飘移到了2000公里之外的俄罗斯中部地区。

这次爆发发生时欧洲大部分地区已经经历了漫长的冰川时期,人们认为它摧毁了欧洲大陆大部分地区达几个世纪之久。

包括意大利、地中海沿岸和整个东欧在内的大片陆地,被深达20厘米的火山灰所笼罩。大面积的植被遭到破坏,形成了一大片沙漠。俄罗斯的大部分地区被5厘米深的灰烬所覆盖。这些火山灰足以摧毁植物生命达数十年甚至更长时间。

"从化学分析中我们得知,火山灰中含有氟,这对植被的影响极大,并可能导致动物氟中毒,"科斯塔说,"这一切可能对人类产生了强大的冲击。"

此外,释放出来的大量二氧化硫可能还形成了火山冬季。二氧化硫使太阳光线在上层大气反向辐射,阻止其抵达地面。 1991年的皮纳图博火山(Mount Pinatubo)爆发是二十世纪最重大的火山爆发事件之一。正是在这种作用下,全球温度被临时降低了0.6摄氏度左右。但是,坎帕尼亚(Campanian)熔岩爆发导致的影响可能更严重。科学家估计欧洲的气温因之被降低了多达4℃,气候也因此被彻底改变好多年。

这次大爆发的时间可疑。考古学家们认为大约39,000年前,人类的表兄弟尼安德特人(Neanderthals)在欧洲消失了。 长期以来,人们怀疑正是这次火山大爆发造成的全欧洲性极端气候条件,导致了尼安德特人的灭绝,至少在部分地区如此。

虽然可以肯定这次火山爆发对尼安德特人的影响巨大,但是现在很多科学家认为,单这一个事件的破坏力还不足以灭绝全部尼安德特人。考古证据表明,在坎帕尼亚火山爆发后,尼安德特人在西欧的部份地区还存在了大约1万年。这也可能与火山灰扩散的路径有关。

"在这次大爆发之后,只是在法国和西班牙发现了尼安德特人遗址,"科斯塔说。"这可能是因为这两个地方根本没有受到火山爆发的影响,因为风是向东吹的。"

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Image caption 东欧的大部分地区都被一层火山灰所覆盖。

甚至还有人认为爆发有益于尼安德特人,因为它延迟了现代人类抵达欧洲,而这些现代人会与他们争夺资源。 "要到达西欧,现代人类将不得不穿过中东和由火山爆发形成的大沙漠",科斯塔说,"这片土地可能需要几百年才能复原。"

目前,尚不清楚坎皮佛莱格瑞最后一次大爆发造成的破坏有多严重。但它远非地球上唯一的超级火山爆发。地球的地质史实质上就是世界末日般的火山事件史。

在科罗拉多西南,有一个宽约100公里,深约1公里的大峡谷。它是地球历史上最具爆炸力的一次单个事件的产物。拉加里塔火山口(La Garita Caldera)是二千八百万年前的一次火山爆发形成的,那次爆发喷发出了五千立方公里的熔岩。

幸运的是,这个地区的地壳板块已经重新排列了,同样的事情不可能重复发生。但是,在印度尼西亚,大约75,000年前发生过类似规模的爆发事件,而造成那次爆发的超级火山依然处于活跃期。

在北苏门答腊山脉中有一座宁静美丽的湖泊—托巴湖(Lake Toba),它是著名的旅游景点。但这个湖泊实际上是一个巨大的火山口,是人类历史上极端气候事件留下的痕迹。

"坦率地说,托巴爆发与过去数千万年间发生的任何一次火山爆发规模相当。"研究地球历史上几次最大规模火山爆发事件的剑桥大学教授克利夫·奥本海默(Clive Oppenheimer)表示,"这是特别有名的一次,因为它发生于现代人类时期,它的时间非常关键,因为它发生于人类从非洲走出来并向亚洲扩散这一时间前后。"

但这究竟对人类造成了什么样的影响一直是个充满争议的话题。

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Image caption 坎皮佛莱格瑞这样的火山爆发可能导致了尼安德特人在欧洲的消失。

在20世纪90年代,火山学家在印度洋海洋沉积物中发现了大量的托巴火山灰沉积物。火山灰中含有的化学成分可追溯至75,000年前。后来的研究发现,在中国南海、阿拉伯海甚至距离东巴约7,000公里远的马拉维湖(Lake Malawi)也发现了类似的火山灰。

爆发的巨大规模意味着来自托巴的火山气体可能穿透了地球大气层的两个半球,循环至全世界。托巴喷发出的究竟是哪些气体,数量有多少,这对于了解其对气候的影响以及随后发生的事至关重要。但是,时间已经那么久远,要完成这项工作可不简单。

"在格陵兰有一个冰芯,它们有着过去125,000年间的地球温度上升与下降情况的化学记录。"多年来一直从事托巴火山研究的剑桥大学考古学家萨夏·琼斯(Sacha Jones)说,"每年都会形成不同的冰层,人们测量了这些冰层中硫酸盐的含量,硫酸盐含量出现了一个很高的峰值,这似乎与托巴火山爆发的时间相吻合。"

科学家们预测,如果托巴爆发确实向世界各地输送了大量的二氧化硫,它就可能引发了火山冬季,天空变黑并且持续了大约6000年。与此同时,遗传学家在20世纪90年代初开展的人类线粒体DNA模式研究中发现,5万到10万年前似乎存在有一个人口瓶颈。许多人将这归因于托巴。

但这并不足以让所有人信服。

"过去10年左右,人们对托巴几乎消灭智人这一说法更加持怀疑态度。"奥本海默说,"不同火山的岩浆能够溶解并包含不同数量的物质,如二氧化碳、水和硫,而对托巴的火山灰进行化学分析发现,它的岩浆实际上并不富含硫。

考古记录中也有疑点。人们认为印度尼西亚、马来西亚和印度至少被托巴火山灰覆盖达5厘米。植被因此被破坏,进而引发了大规模的洪灾。然而,对火山灰沉积物的考古研究似乎表明人类对环境变化具有非常强的适应性。

琼斯说:"这个时期人类活动的主要迹象就是石头工具,如手斧和燧石片,"琼斯在印度安得拉邦的侏罗纪谷(Jurreru Valley in Andhra Pradesh)挖掘了一些遗址。"当我们挖掘出托巴灰层之上、之中、之下的沉积物时,根本看不出这些石器时代的技术在爆发之前和之后有太多的变化,这表明它并没有真的导致大规模的灭绝。"

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Image caption 超级火山可能会对航空旅行造成严重干扰。

关键是托巴的大部分火山灰可能落在海洋中,对人类这样的陆栖物种造成的影响有限。不过,琼斯认为,它对某些群体的影响还是非常严峻的。

"托巴是一次非常大的喷发,所以会在特定地区造成巨大的影响,"她说,"邻近的太平洋地区是极其多样化的,有很多微气候,有热带雨林、沙漠、山脉,某些地区的人们可能比别的地方的人承受的要多。"

但是托巴的未来会如何呢?研究火山的地质学家和地球物理学家仍然对其岩浆源感到担忧。如果平分岛屿并穿越托巴山的苏门答腊断裂线变得活跃,那么这个岩浆室可能会被重新唤醒。

如果这一切真的发生了,唯一的解决办法就是大规模撤离。但是我们甚至不知道我们会接收到多少警告。

美国黄石国家公园的黄石超级火山是全球受监测最严密的地区之一。人们通过各种仪器跟踪其活动的任何可观测趋势,包括检测地震链的地震仪、用于记录地面膨胀和移动的GPS传感器,甚至是用于检测岩浆室压力变化的卫星图像。

过去二百一十万年,黄石公园发生过三次大规模的火山喷发。第一次是目前为止最大的之一,产生的火山灰是1980年圣海伦斯山(Mount St Helens)喷发的火山灰的2500倍。如果黄石再次爆发,科学家认为会比托巴产生更严重的破坏,因为大多数灰烬会落在陆地上而不是海洋中。

"上一次黄石爆发的火山灰可能跨越了美洲大陆的南北两部份,"牛津大学的戴维·派耶(David Pyle)说:"如果你取样一块大陆,突然用10厘米的火山灰将其覆盖,那么所有的有机物和树木都会失去叶子,甚至可能会死亡,动物会吸入有毒化学物质,陆地会突然变得比以前更亮,大量的太阳辐射可能会被简单地反射回大气层,从而引发长时间干旱。"

随着供水停止,输电线路发生故障,地面运输完全中断,一场危机会瞬间爆发。

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Image caption 如果黄石的超级火山爆发,美国的西海岸可能会因之毁灭。

"如果黄石、坎皮佛莱格瑞或者托巴爆发,将在全球造成严重的经济影响,"奥本海默说,"我们看到,规模相对较小的2010年冰岛火山爆发(Eyjafjallajökull)之后,它影响到大众汽车的供应链,因为部件来自日本。全球航空可能会受到数十年的影响。如果大量的二氧化硫被释放,可能会加速季风的形成和气候变化,而这可能会影响世界粮食安全。"

这一切都可能会成为问题,不过,科学家们怀疑,像这样的单一爆炸性事件会真的能造成人类毁灭。

相反,火山学家认为,另一种类型的火山事件可能对人类的生存构成更大的威胁。

在过去5亿年中,化石记录显示的全部五次大规模灭绝事件均与大规模熔岩喷发相吻合。这些爆发不是单一事件,而是连续不断的喷发达数十万年。它们被称为洪水熔岩,是由地球深处的热物质上升引起的。

最剧烈的洪水熔岩爆发被认为与大陆漂流有关。在过去的2.5亿年中,只发生了11次,每次都形成了广阔的山脉、高原或火山岩。发生在6600万年前的一次这样的洪水熔岩事件,在印度中西部形成了德干高原(Deccan Traps)大面积火山岩。这些爆发释放出了大量的混合气体,慢慢造成了海洋酸化并改变了气候,进而促成了这一时期的大规模灭绝。

问题是没有人知道下一次洪水熔岩事件会在什么时候发生。 "我们预计在接下来的五千万年中还会发生洪水熔岩事件,但是我相信没有人知道它将于何时何地发生。"派耶说。

无论我们预测下一次超级火山喷发还是下一次洪水熔岩事件,问题都是一样的。前者在人类历史上没有被观察到,而最后一次主要的洪水熔岩爆发1000万年前发生在加拿大南部,这比我们这个物种来到地球要早数百万年。因此,尽管全球火山活动热点地区都受到了严密监测,但我们无法预知会发生什么,也无法知道我们能在事件发生之前接收到多少预警。与长达数百万年的火山周期相比,我们的短暂监测是那么的微不足道。

我们不知道我们处于这些周期的什么阶段。完全有可能在我们的一生中甚至在未来的几十万年中都不会发生。只有一点是肯定的,那就是这些爆发最终会发生。

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