2022年1月15日，南太平洋汤加王国境内的海底火山发生了一次史无前例的喷发。它不仅在地表引起地震和海啸，甚至还对低轨道卫星高度的大气层造成显著冲击。
从海底直冲太空，如此惊人的能量传递是如何实现的？近日，来自中国科学技术大学的研究团队为我们揭示了这一“天地联动”现象的奥秘——次级重力波。相关论文已经发表在地学著名期刊《AGU Advances》。
蝌蚪五线谱连线采访了论文的第一作者中科大地球和空间科学学院特任副研究员李若曦，他告诉蝌蚪君：“汤加火山喷发是有卫星记录以来最大的喷发事件；包括卫星观测在内的各种观测手段有助于全面观测火山喷发的各种影响。”这使得汤加火山成为研究火山喷发时能量传递的理想案例。
由 GOES-West 卫星拍摄的汤加火山喷发
（图片来源：NOAA/NESDIS/STAR）
打破常识：火山如何“摸到”卫星？
据美国国家航空航天局（NASA）称，2022年汤加火山喷发的威力是广岛原子弹的数百倍，造成的大气压力波环绕地球4圈，甚至在远至1万公里外的美国阿拉斯加人们都听到了轰隆声。
它将火山灰与气体喷射到至少57公里高空，是民航客机飞行高度的5倍，成为唯一被观测到能够突破大气对流层和平流层，进入中间层的火山羽流。
风云四号B星全圆盘监测火山灰云影像
然而它的影响远不止于此。科学家们发现，此次喷发的涟漪效应竟已明显波及距地500公里的大气热层——已经达到了国际空间站和低轨道卫星的高度。
卫星数据清晰显示，喷发后热层大气密度出现了异常波动，这种高层大气响应在火山观测史上尚属首次。
为探寻此次喷发能够影响到绝大多数火山无法触及的大气区域的原因，研究团队锚定了两种可能性——兰姆波（Lamb Wave）和次级重力波（Secondary Gravity Wave）。
能量传输之谜：兰姆波 vs. 次级重力波
火山喷发产生了强烈的兰姆波与初级重力波（Primary Gravity Wave），形成了横跨整个太平洋的圆形波面。
其中，兰姆波是指沿水平方向传播的、贴着地表“跑”的特殊波动现象；而初级重力波则是指因剧烈能量释放，在局部垂直空气上升气流中激发的波动现象；这些初级重力波向上传播，并在低热层区域再次激发出次级重力波。
研究人员所要做的，就是对比兰姆波和次级重力波对大气热层扰动的作用大小。
研究人员利用计算机建立了两套大气模型，分别模拟次级重力波与兰姆波的物理机制，并将其与GRACE-FO卫星在轨采集的热层大气密度数据进行比对。
值得注意的是，模拟结果表明：仅通过次级重力波机制就能复现观测到的热层影响。
这就意味着，次级重力波在驱动全球性热层波动过程中发挥着决定性作用。而兰姆波虽然传播速度差不多，但其影响幅度相对较小，对热层扰动的影响可能只有25%。
次级引力波模型与实测数据对比
（图片来源：AGU Advances）
这项研究将火山能量从海底到太空的传递过程完整地展现在了我们眼前：首先，火山羽流突破对流层和平流层，同时产生初始重力波。
这些波动向上传播时逐渐衰减，随后在低热层激发波长更长、传播更远的次级重力波。
这种波动传递机制像“能量接力赛”一样，将地表扰动持续输送至空间站所在的热层高度，造成大规模大气波动，并重塑了全球热层的分布结构。
地球系统的启示：从火山喷发到空间安全
汤加火山的世纪喷发犹如一记来自地球深处的警钟。从喷发的火山口到翱翔的卫星，从深邃的海底到浩瀚的太空，能量以不可思议的方式连接着地球的各个圈层。地球系统的整体性与复杂性，依然远超我们的想象。
此外，伴随着人类在通信、导航、气候监测等领域对卫星的依赖日益加深，从手机定位到气候变化观测，再到灾害预警，都离不开太空基础设施的稳定运行。如果火山喷发产生的能量可以扰动空间站和卫星高度的大气，会不会对现有的在轨卫星系统造成未知的威胁？
对此，李若曦告诉蝌蚪君，类似汤加火山级别的大规模喷发可能影响电离层，从而影响导航和通讯；也可能引发大气密度变化，影响航天器轨道预报。他还透露，火山喷发后在几个小时内就会影响到卫星高度大气，要进行提前监测还有待进一步研究。
参考文献：
https://eos.org/editor-highlights/tongas-volcanic-fury-ripples-to-the-netherworld
https://doi.org/10.1029/2024AV001470
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5ODA1MjkxOQ==&mid=2650104748&idx=1&sn=832517af2a90bcb7936bba0ab2cb8b73&chksm=89616299c91c877ff56de59ddeead79ee551ff07413411923c8d96c28b5a550e05c2ed666136&scene=27
https://www.wlmqw.com/view/86751#google_vignette
作者：刘若冰
策划：刘颖 张超 李培元 杨柳
审核：李若曦 中国科学技术大学地球和空间科学学院特任副研究员
来源： 蝌蚪五线谱