火山碎屑流致命的輕功「氣」上飄

撰文|蘇建翰

在武俠小說中常常可以看到各路人馬施展輕功,高來低去的,視各種地形屏障為無物,輕快地移動。你知道火山爆發所伴隨而生的火山碎屑流,也像是施展著輕功一般,騰著一層空氣快速前進嗎?

龐貝城的末日

        「形狀像松樹一般的雲朵一直上升,直衝天際就像很高的樹幹一般,在頂端不斷的擴散出分枝……」──小普林尼。

西元79年的8月24日中午,連日地震的盡頭迎來了維蘇威火山的爆發,柱狀雲快速上升直升入平流層,兩個小時之後龐貝城內開始降下塵埃和浮石,以每小時10-15公分的「降雨量」,最終會累積到將近三公尺高,到了午夜,火山的噴發柱(eruptive column)再度倒塌,隨之產生的火山碎屑流(Pyroclastic density current)襲擊了龐貝城,在短短不到一天之內,這座城市就消失在地表之上,最後被世人遺忘直到重新出土的那天。

驚人的移動力

圖一、1980年美國聖海倫火山爆發時顯眼的噴發柱(左)與1984年菲律賓馬榮火山爆發時朝東南側傾洩而下的火山碎屑流(右) (來源: USGS)

一般提到對於火山爆發的印象,多半是那壯觀的噴發柱,然而如果要提到危險性,則是不能忽略火山碎屑流這個災難。火山碎屑流主要由炙熱的岩石、塵埃和氣體所組成,挾帶著能瞬間烤焦所到之處的高溫,移動的時速可以高達數百公里,可說是火山的鄰近地區最恐怖的殺手!      

目前針對碎屑流的形成機制提出的研究中,有許多案例起因於噴發之後噴發柱內含物的密度較周圍空氣密度高,因此逐漸喪失向上的動能、內部支撐不足而崩塌,另外,剝裂的火山穹丘(lava dome)、岩漿遇水產生的爆炸等也都可能導致碎屑流的產生。

火山碎屑流驚人的速度乍看之下或許很直覺,不就像是在一個斜坡頂端放手讓一顆球滾下去,受到重力影響球的速度會越來越快一樣,因為火山爆發的時候,噴發口都在比較高的地方,所以這些碎屑流受到重力影響速度變快不是再自然不過的事嗎?然而如果你深入進到碎屑流裡(別當真,珍惜生命請千萬遠離火山碎屑流),就會跟著李組長一起眉頭一皺,發現案情其實並不單純。根據觀察,碎屑流裡挾帶著的物體尺寸,小至微米,大到公尺等級的都有,內容物極度不均勻,另外,地表不可能像冰塊一樣的光滑,然而就算在幾乎沒有坡度、甚至有著上坡的地形中流動,碎屑流也不會受到阻撓減緩太多速度,那麼火山碎屑流致命的移動性究竟是從何而來,說好的摩擦力跑到哪裡去了呢?

DIY一道碎屑流

想要實地去觀測火山碎屑流的機制,主要會面臨到四個困難,首先當然就是這些碎屑流非常地危險,再來就是發生的時間和地點難以預測,有限的光程也讓外部的觀察分析變得困難,即使現在每年都能觀察到許多碎屑流的發生,然而規模多半較小,難以和地質記錄到的超大規模的碎屑流進行比較。

圖二、左側為實驗中從坡道頂端釋放的碎屑流,右側為拍攝到在底部形成的薄空氣層(來源: 擷取自https://youtu.be/hvuP7kuX7Dk)

既然自然界中火山碎屑流難以觀察,那就自己做一個吧!以紐西蘭科學家為主的一個研究團隊,為了研究這個問題,他們嘗試在實驗室裡DIY出一個小型的版本,說小其實也不小,在這個實驗裡他們動用了1.3公噸的火山物質,將其釋放在一個特製的十二公尺長、五十公分寬的坡道上,再利用高速攝影機錄下整個過程進行分析。

實驗結果發現,其實地表的摩擦力在一開始還是在的,因此碎屑流的流動就像河流一樣,在底部和兩側流速會受到摩擦力的影響而比較慢,由下而上地速度也跟著由慢到快,當上下的速度差相距不大時,碎屑流內部的氣壓的最大值出現在最底層,由於空氣會由高氣壓的區域往低氣壓流動,也因此底部的空氣會想要往上跑到氣壓比較小的地方;不過,如果上下速度差距較大,那麼氣壓的最大值會脫離底部出現在稍微高一點的地方,也就是說,處在這一層的空氣如果想要到氣壓低一點的區域,這時除了往上跑,還多了往下層移動的選擇,因此在底部會累積一層薄薄的空氣,像是潤滑劑一樣降低了六成以上的摩擦力,造就了碎屑流驚人的移動力!

這項對於碎屑流的研究有助於預測災難殃及的區域,讓政府及早疏散可能受到火山碎屑流侵襲區域的民眾,降低可能的傷亡,除此之外,而我們也能期待在碎屑流底部發現的這種利用空氣「潤滑」的現象,能為雪崩或者土石流等,這類摻有空氣挾帶大量質量流動的災害相關的研究做出貢獻。

 

參考資料:
[1] August 24, 79: An Hour-By-Hour Account Of Vesuvius' Eruption On Its 1,937th Anniversary
[2] J. Dufek, “The Fluid Mechanics of Pyroclastic Density Currents,” Annu. Rev. Fluid Mech., vol. 48, no. 1, pp. 459–485, 2015.
[3]G.Lube et al., “Generation of air lubrication within pyroclastic density currents,” Nat. Geosci., 2019.(https://doi.org/10.1038/s41561-019-0338-2)
[4] Pyroclastic flows: The secret of their deadly speed (https://youtu.be/hvuP7kuX7Dk)

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