火山噴發(fā)蒸汽圈成因初探

張健

洛陽實(shí)驗(yàn)小學(xué)，河南 洛陽 471000

火山噴發(fā)蒸汽圈成因初探

張健

洛陽實(shí)驗(yàn)小學(xué)，河南 洛陽 471000

運(yùn)用類比推理，分析噴發(fā)蒸汽圈的成因，形成假說。眾所周知，能噴出煙圈的現(xiàn)象不多，無外乎一是吸煙人用嘴吐出煙圈，二是拖拉機(jī)剛發(fā)動(dòng)時(shí)從煙筒里噴出煙圈。

2010年冰島埃亞菲亞德拉火山噴發(fā)時(shí)，美國地質(zhì)學(xué)家記錄到火山噴發(fā)蒸汽圈現(xiàn)象，目前關(guān)于這種火山蒸汽圈的形成原因仍然是個(gè)謎。為探究這一奇特現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，特制作模型進(jìn)行研究，從而揭示出火山噴發(fā)蒸汽圈產(chǎn)生的基本條件，對研究火山運(yùn)動(dòng)及噴發(fā)現(xiàn)象具有科學(xué)認(rèn)識(shí)價(jià)值。

火山噴發(fā)；冰島；蒸汽圈；成因

volcano eruption;lceland steam coil causes

前言

火山噴發(fā)蒸汽圈現(xiàn)象是火山內(nèi)部運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生氣體外泄形成的自然景觀，其具體成因目前文獻(xiàn)中還沒有確定性結(jié)論。

關(guān)于火山噴發(fā)出巨大的蒸汽圈的文獻(xiàn)和報(bào)刊報(bào)道，北京時(shí)間2010年5月24日，位于意大利西西里島的著名的活火山－埃特納火山，不僅噴發(fā)頻次高，它還有一個(gè)極罕見的現(xiàn)象，火山噴發(fā)出巨大的蒸汽圈（見圖1所示）[1]。早在2000年，也有該火山噴出蒸氣圈的相關(guān)報(bào)道和圖片資料。2010年冰島埃亞菲亞德拉火山噴發(fā)時(shí)，美國地質(zhì)學(xué)家也記錄到火山噴發(fā)蒸汽圈現(xiàn)象。目前關(guān)于這種火山蒸汽圈的形成原因仍然是個(gè)謎，科學(xué)家推測，該現(xiàn)象極有可能是蒸汽和氣體噴發(fā)物從狹窄的火山噴發(fā)口噴出時(shí)所形成的（飄到高處才顯現(xiàn)出來），就好似從吸煙者嘴中吐出的煙圈。

目前關(guān)于火山噴發(fā)蒸汽圈產(chǎn)生原因的報(bào)道或論文甚少，關(guān)于火山為什么會(huì)噴發(fā)蒸汽圈？揭示這一奇特的有趣的現(xiàn)象，并通過物理模型對此進(jìn)行探究就具有科學(xué)認(rèn)識(shí)價(jià)值。

圖1 2010意大利西西里島的埃特納火山

1 分析現(xiàn)象，提出假說

圖3 口吐煙圈

1.1 產(chǎn)生煙圈的因素有哪些？

吸煙人吐煙圈的因素有：1）.嘴里有氣體噴出，也就是口腔里存儲(chǔ)有煙。2）.有噴發(fā)氣體的動(dòng)力。吸煙人吐出煙圈的動(dòng)力是：手指敲擊腮幫或舌頭向前伸展彈射產(chǎn)生的動(dòng)力。3）.不是連續(xù)著的噴發(fā)，而是只有一股氣體的噴發(fā)。吸煙人用手指敲擊腮幫一次就有一次噴發(fā)，或者舌頭向前伸展彈射一次就有一次噴發(fā)。4）.與口型空間有關(guān)。口腔內(nèi)要有一定的空間。形成肚大口小的形狀。

拖拉機(jī)噴煙圈的因素有：1）.氣缸里有氣體噴出；2）.也有噴發(fā)氣體的動(dòng)力，這個(gè)動(dòng)力就是從氣缸噴發(fā)出的剛?cè)紵^的氣體；3）.也不是連續(xù)著的噴發(fā)，也是只有一股氣體的噴發(fā)，這是因?yàn)橥侠瓩C(jī)剛發(fā)動(dòng)時(shí)氣缸轉(zhuǎn)換較慢，形成不了連續(xù)的噴發(fā)；4）.拖拉機(jī)排氣管上有一個(gè)消音裝置，安裝在排氣管上端，突然變粗增大，內(nèi)部形成一個(gè)大的空間，原本是起到消音作用的，這時(shí)也構(gòu)成了煙圈的產(chǎn)生。

1.2 煙圈產(chǎn)生的過程是怎樣的呢？

吸煙人吐煙圈的過程：1）手指敲擊腮幫，腮幫凹陷，擠壓嘴里的煙從嘴口噴出。腮幫恢復(fù)原狀，嘴內(nèi)壓力減小，不能再連續(xù)噴發(fā)煙。這一小股煙恰能形成一個(gè)圓環(huán)的煙量。圓環(huán)的形成是煙從嘴口噴出時(shí)，中心的力度大，速度快，四周的煙受到內(nèi)壁的阻礙和嘴邊的阻力速度變慢，形成一個(gè)四周的煙從后邊向中心翻卷的煙圈，煙圈前邊中間的煙再向四周翻卷。這樣形成一個(gè)從中間向外翻卷著的，同時(shí)又向前運(yùn)動(dòng)著的煙圈。如果嘴張得較大也不會(huì)形成煙圈。

2）彈舌形成煙圈的過程是：舌頭只彈出了一部分煙，舌頭前端的形狀是個(gè)半圓，舌頭尖的部位落在煙的中間，產(chǎn)生的力度最大，舌頭邊的產(chǎn)生的力度小，這樣也會(huì)形成一個(gè)從中間向外翻卷著的，同時(shí)又向前運(yùn)動(dòng)著的煙圈。如果舌頭用力過大或過小，嘴張得過大或過小也不會(huì)形成煙圈。

剛剛發(fā)動(dòng)的拖拉機(jī)排氣管產(chǎn)生煙圈的過程是：一股一股從氣缸噴發(fā)出的剛?cè)紵^的氣體有明顯的時(shí)間間隔，當(dāng)氣體噴到消音裝置的地方，空間突然變粗增大，內(nèi)部形成一個(gè)大的空間，又馬上變細(xì)聚小，又形成漏斗型空間，這就與嘴噴發(fā)煙圈的的現(xiàn)象一樣了。

根據(jù)分析吸煙者噴吐煙圈的形成原因和拖拉機(jī)噴發(fā)煙圈的形成原因，可推猜火山噴發(fā)蒸汽圈的形成原因。根據(jù)火山噴發(fā)蒸汽圈的現(xiàn)象分析，火山噴發(fā)蒸汽圈也必須具備以上的基本條件：1）火山口內(nèi)部有氣體溢出；2）有噴發(fā)氣體的動(dòng)力；3）不是連續(xù)著的噴發(fā)，而是只有一股氣體的噴發(fā)；4）與火山口內(nèi)部的空間有關(guān)，很可能是倒立的漏斗型空間。

再進(jìn)一步分析，具備這些條件后火山能夠形成蒸汽圈的噴發(fā)有兩種可能：1)氣體來源于巖漿內(nèi)部形成的噴發(fā)；2)氣體存儲(chǔ)在火山通道下的空間內(nèi)形成的噴發(fā)。

氣體來源于巖漿內(nèi)部的噴發(fā)：當(dāng)有一團(tuán)含有揮發(fā)份氣體的巖漿，上升或運(yùn)動(dòng)到火山通道時(shí)，巖漿上部壓力減小，禁錮在液體中的氣泡會(huì)迅速釋放出來，導(dǎo)致爆炸性噴發(fā)[2]，這時(shí)具備了噴發(fā)蒸汽圈的基本條件。

氣體存儲(chǔ)在火山通道下的空間內(nèi)形成的噴發(fā)。巖漿在不停地運(yùn)動(dòng)著，有的地方上升，就會(huì)同時(shí)伴隨著有的地方下降。有的地方下降，就會(huì)同時(shí)伴隨著有的地方上升。運(yùn)動(dòng)的巖漿會(huì)向壓力小的地方運(yùn)動(dòng)（如圖4）。由于火山通道與地殼外連通，此處壓力較小，此處的巖漿受到擠壓過來的巖漿的推動(dòng)，會(huì)在這個(gè)地方突然上升，火山通道下的空間內(nèi)的氣體被涌起的巖漿擠壓噴發(fā)而出。這時(shí)也具備了形成蒸汽圈的基本條件。

圖4 大洋板塊俯沖示意圖

2 制作模型，驗(yàn)證假說

火山噴發(fā)蒸汽圈的成因是否像我們根據(jù)吸煙人噴吐煙圈的成因所推導(dǎo)的形成過程呢？本文進(jìn)一步用模型演示來驗(yàn)證（如圖5）。

制作這個(gè)模型，是圍繞以上四個(gè)產(chǎn)生煙圈的基本要素而設(shè)計(jì)制作的。1）用煙霧球產(chǎn)生白煙儲(chǔ)存在儲(chǔ)煙桶里，用小電扇推動(dòng)上升氣流，能讓白煙溢出。2）噴發(fā)氣體的動(dòng)力是人提起提柄產(chǎn)生的動(dòng)力。3）提起提柄只能產(chǎn)生一股氣體的噴發(fā)，而不是連續(xù)著的噴發(fā)。4）瓶子口內(nèi)的空間就是倒立的漏斗型空間。

圖5 火山噴發(fā)蒸汽圈試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

工作原理：點(diǎn)燃的煙霧球在金屬燃燒盒里產(chǎn)生白煙，白煙在儲(chǔ)煙桶里存積。打開開關(guān)，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生上升氣流，氣流通過白煙通道進(jìn)入內(nèi)瓶，白煙充滿內(nèi)瓶后再進(jìn)入外瓶，當(dāng)白煙充滿外瓶后白煙會(huì)從“火山口”冒出。這時(shí)關(guān)閉開關(guān)，手握提柄向上猛然提起，活塞堵塞內(nèi)瓶口，防止氣流回流，擠壓白煙從外瓶口噴出，這時(shí)產(chǎn)生煙圈從“火山口”噴出。

(此模型已被用于地理教學(xué)，被河南省教育技術(shù)裝備中心評選為參加2012年的第八屆（天煌杯）全國優(yōu)秀自制教具)。

本模型通過操作能夠產(chǎn)生煙圈，也許這就是火山能夠噴發(fā)蒸汽圈的真正原理。

從本模型的演示進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：

2.1 模型“火山”口內(nèi)部溢出的白煙氣體，不能多也不能少。氣體多了，噴發(fā)出的白煙一涌而出，形成不了蒸汽圈;氣體少了，白煙一出“火山口”就散了。由此證明，火山能夠形成蒸汽圈的噴發(fā)，氣體不能多也不能少。氣體多了，噴發(fā)出的白煙一涌而出，接近蘑菇云形態(tài)的煙，形成不了蒸汽圈;氣體少了，白煙一出火山口就飄散了。

2.2 噴發(fā)氣體的動(dòng)力。模型“火山”口內(nèi)部溢出的白煙氣體如果多，噴發(fā)的動(dòng)力就會(huì)相應(yīng)增大，噴發(fā)出的白煙一涌而出，形成不了蒸汽圈; 模型“火山”口內(nèi)部溢出的白煙氣體如果少，氣體少了產(chǎn)生的力量就會(huì)相應(yīng)減小，構(gòu)不成噴射，也形成不了蒸氣圈。由此可推想，火山噴發(fā)蒸汽圈的動(dòng)力，要么是巖漿擠壓氣體溢出的動(dòng)力，要么是巖漿涌起時(shí)擠壓火山通道下的氣體的動(dòng)力。這兩種動(dòng)力產(chǎn)生的都不巨大，只能產(chǎn)生一股氣，所以才能形成蒸汽圈。動(dòng)力大了，噴發(fā)出的煙被沖散，動(dòng)力小了，噴發(fā)出的煙是向側(cè)面緩慢飄動(dòng)地冒煙。都形成不了蒸汽圈。如果火山內(nèi)部涌起的巖漿力量很大，那么巖漿就會(huì)噴涌而出，也形成不了蒸汽圈。

2.3 操作模型能夠產(chǎn)生煙圈時(shí)，正是能夠一股氣一股氣地噴發(fā)，讓氣體產(chǎn)生的不多也不少，所以模型產(chǎn)生的煙才不是連續(xù)著的噴發(fā)或冒煙。由此證明，火山能夠噴發(fā)蒸汽圈時(shí)，氣體也不是連續(xù)著的噴發(fā)或冒煙，也是一股氣一股氣產(chǎn)生的。

2.4 從摹擬火山通道下的空間不同形狀實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，倒立的漏斗型空間最容易產(chǎn)生煙圈。這是因?yàn)椋簹饬魇艿娇s小的火山口的阻礙，形成中間與四周的速度差，才能形成氣流的由中間向四邊的旋轉(zhuǎn)渦流。由查閱有關(guān)火山成因的資料得知：“氣體物質(zhì)的溶蝕作用。一般火山內(nèi)部置換物質(zhì)的頂層由氣體構(gòu)成，氣體在巨大的壓力下溫度會(huì)上升，并開始溶蝕置換空間頂層的巖石和噴發(fā)通道中的結(jié)晶巖，使置換空間越來越大，（老的間噴火山都有比較大的置換空間）……”[3]這樣溶蝕的空間形狀也容易是倒立的漏斗型。由此證明，火山噴發(fā)蒸汽圈的形成與火山通道內(nèi)部倒立的漏斗型空間有關(guān)（如圖6）。

圖6 火山噴發(fā)蒸汽圈原理分析圖

3 歸納總結(jié)，形成認(rèn)知

總結(jié)以上的驗(yàn)證和論述可得出：從巖漿內(nèi)溢出的或者是涌起巖漿擠壓的一團(tuán)氣體向上涌噴時(shí)，受到窄小的火山通道的阻礙，中間的氣流速度快于四周氣流，形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)渦流。當(dāng)這股氣流沖出火山口瞬間氣壓減小，就會(huì)形成一股由中間向外翻卷著前沖噴射的圓圈狀氣流團(tuán)，這就是火山噴發(fā)的蒸氣圈。

那么，2010年4月冰島埃亞菲亞德拉火山噴發(fā)蒸汽圈現(xiàn)象的形成是因?yàn)椋?/p>

1)“冰島位于大西洋中脊火山帶，在洋中脊的火山類型中，大多情況是巖漿從上地幔直接向上，或者是到海底，或者是陸地，一般不會(huì)有更長時(shí)間的停留，巖漿補(bǔ)充的速率很快，釋放的也很快，沒有長時(shí)間的氣體富集過程，所以這種分離性板塊邊界的火山噴發(fā)往往不會(huì)由于大量氣體聚集而形成劇烈的爆破性噴發(fā)。這也是冰島歷來火山活動(dòng)雖然頻繁但是沒有爆破型危害的原因?！盵4]動(dòng)力因素已具備。

2)“位于北極圈之內(nèi)的埃亞菲亞德拉火山，常年被冰川覆蓋?；鹕絿姲l(fā)時(shí)，內(nèi)部物質(zhì)與覆蓋在火山口厚厚的冰川共同作用，當(dāng)熾熱的巖漿首先遇上含水量巨大的冰川，溫度上劇烈的反差制造出大量的炙熱的水蒸汽。”[5]白色煙灰因素已具備。

3)從冰島埃亞菲亞德拉火山噴發(fā)的時(shí)間上推段，4月20日以后，已從噴煙灰轉(zhuǎn)向噴巖漿的后期，已處在間歇性噴發(fā)，噴發(fā)力量越來越弱，有時(shí)巖漿已經(jīng)不能溢出火山口，甚至已回落到巖漿通道的底部，在火山通道底部的空間里存儲(chǔ)有大量的炙熱的水蒸氣[5]。這些因素也具備了生成蒸汽圈的條件。

當(dāng)噴發(fā)力量越來越弱，弱到一定程度時(shí)，恰能噴出存儲(chǔ)在火山通道底部空間的水蒸氣時(shí)，這一團(tuán)氣體就構(gòu)成了形成噴發(fā)蒸汽圈的所有條件，一個(gè)巨大的蒸汽圈就能噴薄而出，冉冉升起。

由此可見，火山噴發(fā)蒸汽圈的現(xiàn)象，形成的原因受多方面因素影響，幾方面的因素同時(shí)存在并發(fā)揮作用，恰到好處，才會(huì)形成噴發(fā)蒸汽圈現(xiàn)象。所以，人們能觀測到火山噴發(fā)蒸汽圈的現(xiàn)象是極其罕見的，這也是對火山噴發(fā)蒸汽圈的關(guān)注不多、未能揭示成因的主要原因。

[1]地理時(shí)間.神奇自然：火山吐煙圈www.co m geo.n et/arch ives/11334

[2]中國地質(zhì)圖書館.火山科普知識(shí)火山成因 世界火山分布.http://www.cgl.org.cn/volcano/ co m m o n/cau satio n.h tm

[3]胡道雄.關(guān)于火山成因的探討. 新疆石油地質(zhì).2011, 32(5):564-568

[4]魏海泉.《專家：此次火山噴發(fā)為冰島歷史規(guī)模最大》中國新聞網(wǎng)新聞中心與中國地震局地質(zhì)研究所研究員、火山問題專家魏海泉進(jìn)行的連線專訪。http://news.china.com.cn/txt/2010-04/16/ content_19838639.h tm ,2010.4.16

[5]中國新聞網(wǎng).冰島火山爆發(fā)出現(xiàn)新兆 “噴煙灰”轉(zhuǎn)向“噴巖漿”,2010年04月21日http:// www.chinanews.com/gj/gj-oz/news/2010/04-21/2239162.sh tm l

Causes of Volcano Eruption Steam Coil

Zhang Jian
Luoyang Experimental Primary School, Luoyang 471000, China

In 2010 Iceland Eyjafjallajokull volcano eruption,the United States geologist records to volcanosteam circle. Phenomenon. At present about thisvolcano steam circle formation remains a mystery.To explore this strange phenomenon, the specialmodels is built to study relative problem. Inorder to reveal the basic condition which volcanoeruption steam coil. The study will have the valueof scientific knowledge to volcano movement anderuption.

K9

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.197

張?。郝尻柺袑?shí)驗(yàn)小學(xué)，小學(xué)高級教師，大專，洛陽市小學(xué)科學(xué)學(xué)科國家級骨干教師，特級名師。