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地球火山、太阳系及系外火山

泰麦森·马瑟教授

牛津大学地球科学系

要想在一个星球上看到火山,你需要一个热源和一些要融化的东西。在地球上,热源是它的内部热量(主要来自其诞生以及岩石中持续进行的放射性衰变遗留的热量)。“要融化的东西”是地球的岩石地幔,这是我们赖以生存的薄地壳下的一层岩石。它主要是固体,但又热得足以使其缓慢流动或蠕变,有点像那种非常粘稠的液体。越往地心深处温度越高,温度从几百摄氏度(大约和烤箱一样热,或者比烤箱温度还要高一点)到超过4000℃(7230°F)相比之下,就在你到达熔融核心的外部边缘前,太阳的表面温度约为5500℃(9930°F)。压力也会随着你深入地球内部而增加,就像你潜入游泳池底部时,感觉压力过大一样。

参观火山

想象一下参观一座喷发的火山是什么感受。也许你已经见过了?

当火山熔岩从地球内部涌出时,地面会因微小的地震而震动,当火山气体奋力逃逸时,地面会发出嗡嗡声。轰隆隆的爆炸声震动着你的身体和耳朵。酸性气体刺痛你的眼睛和鼻孔,甚至你的皮肤和汗水也开始闻到有硫磺味(闻起来像臭鸡蛋和火柴的气味)。

炽热的岩石飞向高空,冷却并坠落地面时变成黑色。其中一些不断壮大碎石火山堆,另一些则顺着岩浆流蜿蜒而下,冒着烟还叮叮当当响个不停。这就是我2006年在西西里岛参观埃特纳火山时的感受。这实际上是一次相当小的喷发(否则靠这么近就不安全了!)但即使是对于火山科学家(火山学家)来说,也是令人叹为观止的。

地球各层

我们的星球——地球,是由几层组成的。在最中心的是内核,可能是固体的;内核的周围是外核,可能是液体的;再向外是地幔,它是由熔融岩石构成的;地幔之上是地壳,地壳被陆地和海洋覆盖。地壳分为几个大的部分,称为地壳构造板块。地壳周围是大气。

因此地幔已经很热了,但它是固体。在地球上,大自然有两种方式来融化它。在某些地方,比如冰岛,那里的地壳构造板块彼此分离,或者在夏威夷的地下,那里又深又热的地幔像熔岩灯一样慢慢地向上流动,地幔上的压力就会减小。这使得地幔的熔点下降。

你知道吗,在山上,由于压力减小,水壶在较低的温度下就能烧开吗?

在其他地方,如日本和印度尼西亚的地下,添加物质到地幔中使其融化,就像冬天我们在马路和人行道上撒盐来融冰一样。这发生在“俯冲带”,两个地壳构造板块挤压在一起,一个板块下沉到另一个板块之下,进入地幔,将水和其他物质释放到上方的地幔岩石中。

当地幔融化时,会产生一种叫作岩浆的液态岩石。这种岩浆的密度比周围岩石的密度小,因此它开始向地表移动。这个过程可能相对较快,尤其是在地壳较薄的海洋下面;或者可能需要更长的时间,尤其是在地壳较厚的地方,比如在大陆上。这段过程持续的时间越长,岩浆冷却和变化的时间就越多,就会变得越来越粘稠。

但是,是什么导致岩浆从地下喷发出来,而不是像甜甜圈里的果酱那样渗出来呢?岩浆中溶解有水蒸气和二氧化碳等气体。随着岩浆上升,压力下降,气体无法保持溶解状态,于是形成气泡。随着它们的进一步上升,这些气泡会变得越来越大,直到它们到达表面,有时还会爆炸。

当你快速打开一瓶可乐时,也会发生类似的情况,尤其是当有人先好心摇了摇可乐瓶时!粘稠的岩浆更容易捕获气泡。这就是某些火山喷发比其他火山喷发更具爆炸性的原因之一。

这就是我们对地球上大多数火山活动的解释,但是地球并不是我们太阳系中唯一拥有火山的地方。在晴朗的夜晚看满月,你可以看到大块的黑色斑点,那就是凝固的熔岩床,它们被称为玛丽亚(maria),拉丁语意为“海洋”,因为早期的天文学家以为它们真的是海洋。

火星上有巨大的火山,包括已知最大的火山奥林帕斯山。

火星巨峰

奥林帕斯山宽约600千米(370英里),高约22千米(13.6英里)——从海平面测量,高度是珠穆朗玛峰的2.5倍——大约相当于意大利或美国亚利桑那州的面积。

由于月球和火星都比地球小,冷却速度比地球快,所以它们的火山现在都是死火山了。金星的大小与地球相似,“金星快车” 探测任务结果显示,这颗行星上可能存在活跃的熔岩流,这真是令人兴奋的新证据。

在太阳系更远的地方,我们可以在围绕这些巨大气体行星运转的卫星上,看到更多形式奇异的火山活动。木星已确认的卫星有60多颗,其中几颗卫星上都有火山存在。木卫一(Io)是一颗最靠近木星的大卫星,是我们所知的太阳系中火山活动最活跃的天体。木卫一在巨大的潮汐力的作用下被拉伸和挤压,从而被加热,正如你手中的壁球一样。木卫一上的火山异常活跃,喷出的气体和灰尘高达数百千米。木星另一颗被冰所覆盖的卫星——木卫二(Europa)也很有趣,它的表面非常年轻,只有很少的火山口。这表明冰火山活动不断被水状岩浆所覆盖。

2005年,卡西尼号太空探测器发现,土卫二(Enceladus)向太空喷射出大量的蒸汽和冰,甚至在离太阳更远的地方,1989年旅行者2号太空探测器发现暗黑羽状物从海王星的卫星之一——海卫一(Triton)的上空升起,它们可能是由氮冰构成,并受到来自遥远的太阳热量的驱动。

最近在我们太阳系外发现了岩石行星,这意味着,我们和未来的科学家——也许就是未来的你——还没有完全发现宇宙中可能存在的所有新型火山活动。从这些行星到达地球的光中也许保留了一些关于它们大气层的线索。由于火山释放出独特的气体,所以火山活动可能是我们在太阳系外确认的第一个地质活动。

我们这个星球上的火山还有那么多未知需要我们去理解,我常常对此心生敬畏。整个宇宙的火山活动仍有待探索,这真是令人无限遐想! tD+WQ1tOpb928flaYS7vKHIxid28tzPsmIBjPxgwIB/31QTnYlu2paPINZ3gEd3G

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