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

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。

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)