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汤加海海底火山喷发时电离圈生成了孔 名大等分析

2023.06.22

名古屋大学宇宙地球环境研究所等研究小组证实，成功分析了2022年1月汤加海域海底火山喷发后发生的、在大气上层的电离圈电子密度急剧降低的“等离子泡”生成。 也被称为“电离圈之穴”，一直被认为来源于宇宙空间的事件，但已判明也受到了地表现象的影响。 据说也可以期待对今后的防灾有所帮助。电离圈分布在高度60~1000公里处。 在大气中存在的一部分原子和分子因太阳的紫外线和放射线而电离的圈内，在高度300公里附近电子密度最大。 利用发生电波反射和散射的性质，用于短波广播、无线、调频收音机等的传播。等离子泡是指电离圈的电子密度变低的现象。 如果发生大规模的等离子泡，会引起电波障碍和无线干扰等。 迄今为止，人们认为这是太阳表面发生爆炸的耀斑等“地球之外”的主要原因造成的。

图6是表示从火山喷发到等离子体气泡生成的过程的示意图。 火山喷发产生的气压波(空振)向上方传播，通过强制晃动下层大气和电离大气而形成等离子泡(名古屋大学提供)

虽然地面电离圈观测仪器捕捉到了汤加海海底火山喷发后亚洲地区上空产生等离子泡的情况，但究竟到达了什么高度尚不清楚，等离子泡发生的条件和与下层大气变动的关系等也不清楚。名大宇宙·地球环境研究所的特任助教新堀淳树(超高层大气物理学·宇宙空间物理学)等人着手于等离子体泡沫阐明的研究。 分析时，使用了气象卫星向日葵的云图像数据、能够测量电离圈以上宇宙空间3万2000公里的电子密度的探测卫星“风暴”、测量地球位置的GNSS (全球定位卫星系统)。首先，通过向日葵的图像调查了喷烟的扩散，通过通知求出了等离子泡的高度。 等离子泡发生时，GNSS会产生测量误差。 用微分计算其误差，调查了等离子泡的规模。

北半球、关岛的测量结果如图所示。 a~d的图表中，黑线是喷火前的2022年1月13日，红线是喷火当天的15日。 随着等离子泡的产生，总电子数发生了混乱(名古屋大学提供)

分析结果表明，气压波从南半球汤加以同心圆状传播，北半球的日本上空在喷发发生约7小时40分钟后也确认产生了等离子泡，此外还达到了高度2000公里的非常高的地方。 另外，气压波的传播速度为每秒315米左右，但能够计算出成为等离子泡形成诱因的电离圈变动速度快至每秒480~540米。一般认为，喷发产生等离子泡的机理是，喷火时气压波传到对流层，不久波上升到达电离层。 据悉，实际上在气压波到来之前，电离圈的高度就开始上升。

将气压波的传导方式和等离子泡的发生状况图形化的东西(名古屋大学提供)

名古屋大学提供的将探测卫星“风暴”的轨道和等离子泡的发生状况进行比较的图表（名古屋大学提供）

据了解，汤加火山呈同心圆状产生等离子泡，喷发约2小时后逐渐接近日本列岛(名古屋大学提供)

汤加海域海底火山喷发时，气象厅最初表示:“潮位有若干变化。 虽然发表了不用担心受灾”，但是在后半夜切换到了海啸警报·注意报。 潮位发生了变化，到第二天影响了太平洋一侧的养殖场和渔船。新堀特任助教说:“如果能事先正确捕捉到在比气压波还早的阶段能观测到的由电离圈的变动引起的等离子泡的产生，并用于海啸灾害的预测，就能呼吁尽早避难，实现防灾。”位于板块边界的日本列岛周边有很多海底火山，现状是只要不出现人员和财产的损失就无法把握。 亚洲岛屿部分也发生了火山喷发，但确认日本是否受到损害的方法目前主要是通过气象厅进行预测。 为了火山喷发引起的海啸灾害的预测警报系统的早期实用化，希望提高等离子泡测量的精度。成果于5月22日刊登在英国在线科学杂志《《科学报告》(Scientific Reports)》上，名古屋大学于5月23日发表。相关链接

名古屋大学プレスリリース「トンガ沖海底火山噴火がもたらした電離圏の穴～最先端の観測から見えた地圏と宇宙圏のつながり～」