火山噴發對大氣的影響

火山噴發對大氣的影響
國立臺灣師範大學附屬高級中學地球科學科洪逸文老師/國立台灣師範大學地球科學系陳正達教授責任編輯
 

2010年冰島艾雅法拉(Eyjafjallajokull)火山爆發，不只癱瘓歐陸航空交通，也引起人們對「末日說」的恐懼。但是若從地球科學的觀點出發，我們倒是可以思考本次冰島火山噴發對於全球影響會有多嚴重呢？首先要取決於火山噴發的規模，如果火山噴發物得夠多，且高度夠高，在進入平流層後，很快地會隨大氣環流散布到全球，就像西風帶將火山灰擴散到大部分的歐洲。然而火山灰擴散時間越久，沉降的越多；擴散範圍愈大、濃度也會愈低。但是全球氣候會有什麼樣的影響，還要看火山噴發物的種類與高度，及後續在大氣中會進行哪些化學反應。

然而這些氣膠對於全球氣候會有何影響呢？從能量收支的最直接觀點來看，進入平流層的大量氣膠對於太陽輻射的散射能力較吸收能力來得強，導致地球的反照率增加。以菲律賓的品那土波 (Mt. Pinatubo) 火山為例，火山爆發前後，全球的反照率從 5 年平均的 0.236 提高到 0.250，增加了近 5 個標準差。增加最多的地方有二：原來無雲的地區與原來高反照率的區域，前者可以理解，但後者意謂這些氣膠會傳送到高對流層，並與深對流雲(deep convective clouds)產生作用改變其雲微物理的特性。

一般而言，氣膠可做雲凝結核 (cloud condensation nuclei，CCN) 與冰凝結核 (ice nuclei，IN)，環境中的雲和冰凝結核的增加可以改變雲的微物理特性，進而影響氣候系統。前述提到平流層中增加氣膠的濃度，會讓雲滴的平均粒徑變小，導致散射的增強，進而增加雲的反照率，這被稱為雲反照效應（Cloud Albedo Effect）或氣膠的第一種間接效應（Aerosol First Indirect Effect）。然而氣膠數目的增加，也可能導致雲生命期的增加，這被稱為雲生命期效應（Cloud Life Time Effect）或氣膠的第二種間接效應（Aerosol Srcond Indirect Effect）。這兩種效應都會使對流層冷卻。然而，在同樣的微物理機制下，高層的卷雲也會有數目增加與生命期變長的相同變化，但卷雲卻可吸收大量的地表輻射，導致平流層溫度上升。下面舉出實例說明。

20世紀有三次較大的火山噴發事件分別為墨西哥艾齊瓊(El Chichon)火山、美國聖海倫(St. Helena)火山及菲律賓品那土波 (Mt. Pinatubo) 火山。其中聖海倫的火山灰僅停留在對流層中，故 並沒有造成明顯的氣候變化，其他兩者火山噴發物均進入平流層。1982年艾齊瓊火山爆發，造成了地表在 1983年約有 0.2℃ 的降溫，但 1982～83 年正好發生一次很強的聖嬰事件，所以艾齊瓊沒有產生顯著的氣候變化。然而 1991 年的菲律賓皮那土波火山釋放出較艾齊瓊多出 2.5 倍的氣膠，地表應有超過0.7℃的降溫，但扣除聖嬰與全球暖化的影響，大約只降了0.4℃。

上述談的是對流層降溫情形，那在平流層呢？從 NOAA 衛星觀測資料發現在1979-2003年間，在距地表12-22公里的平流層有兩次突然升溫的情形，分別是在 1982-1984 年與 1991-1993 年，時間點剛好是 El Chichon 火山及Pinatubo 火山噴發後，大約經過一、二年後，平流層溫度才開始緩慢降低。這正可說明火山噴發的硫酸鹽氣膠吸收地球長波輻射所導致增溫，而後氣膠濃度逐漸降低，平流層的溫度也跟隨降低。但在 1993 年平流層的溫度降到最低，原因可能有二，首先是因地表與對流層反應較慢，地表長波輻射減少，所以導致平流層吸收到的地面輻射減少，隨後長波輻射慢慢增加，使得低平流層溫度逐漸回升。其次是平流層的臭氧因與氣膠產生異相化學作用而減少，導致吸收到的太陽輻射減少所致。

參考資料:
1.徐光蓉。1992。變動中的大氣化學。科學月刊，265期。2010年10月10日讀取。http://163.20.22.161/Science/content/1992/00010265/0009.htm。
2.McCormick, M. P., L. W. Thomason, and C. R. Trepte, 1995: Atmospheric effects of the Mt. Pinatubo eruption, Nature, 373, 399–404.
3.Ramaswamy, V., M. D. Schwarzkopf, W. J. Randel, B. D. Santer, B. J. Soden, and G. L. Stenchikov , 2006: Anthropogenic and Natural Influences in the Evolution of Lower Stratospheric Cooling. Science, vol. 311, no. 5764, pp. 1138 – 1141.。