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【海洋科普】海嘯來了!!! 東加王國海底火山爆發!!!


讓我們來看看本會理事張翠玉老師與楊穎堅老師(臺灣大學海洋研究所)的發現與分析。 驚天一爆!! 海底也感受到:東加海底火山大爆發_中央氣象局海嘯預警浮標的紀錄
張翠玉、楊穎堅
臺灣大學海洋研究所


1月15號下午 (UTC 04:14:45) 南太平洋島國東加附近的海底火山 Hunga Tonga-Hunga Haʻapai 猛烈噴發引起海嘯, 日本氣象廳(JMA)以及美國國家海洋暨大氣總署(NOAA)第一時間都發佈海嘯警報, 環太平洋面向東加的各國(如:秘魯、智利、紐西蘭、澳洲等等)也都傳出海嘯災情。
截至目前為止,東加對內對外通訊尚未完全恢復,無法得知海嘯在該國所造成的災害。 台灣中央氣象局 (CWB) 自2018年採購了與太平洋海嘯警報中心 (Pacific Tsunami Warning Center,簡稱PTWC,又名太平洋海嘯預警中心)同樣規格的的 海嘯預警浮標系統(Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis, DART),在台灣島東部外海加瓜海脊的東緣, 以及台灣西南部海域各布放了一套海嘯浮標 (http://www.oc.ntu.edu.tw/?p=19039) , 氣象局的海嘯浮標測站清楚的記錄到這次東加火山爆發的海嘯波傳播到西北太平洋的波形(見圖)。 在南太平洋東加海域,太平洋板塊在東加海溝向西隱沒到印澳板塊形成一系列的火山, Hunga Tonga-Hunga Haʻapai 是其中一個活躍的海底火山,火山的名字來自兩個小島:Hunga Tonga 以及Hunga Haʻapai, 兩個小島其實是之前噴發後形成的破火山口 (caldera) 高於海水面的部分,Hunga Tonga 島位於火山噴發中心的北邊大約3公里處, 而 Hunga Haʻapai 島位於噴發中心的西北邊大約3.2公里處,這種破火山口島的結構不穩定,形貌常在短時間內改變, 會因火山再次噴發被破壞,或甚至因為噴出的熔岩增加島嶼的出水面積。

圖:氣象局的海嘯浮標的時間序列(已經去除潮汐振幅)。
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  • 圖上origin為美國地質調查所公布的1月15號下午大噴發地震站逆推所得的發震時間;
  •       P-, S- waves是根據iasp91速度模式所計算出來的地震波體波到時;
  •       surface wave是根據速度2.5km/sec所評估出來的地震表面波到時;
  •       blast wave是爆炸波的波傳到時;
  •       tsunami arr.是海嘯波評估到時。
在1月15日大噴發之前,Hunga Tonga-Hunga Haʻapai一直都是很活躍的海底活火山, 在2009年、2014-2015年都曾大噴發過,每次火山活動都持續了數個月,科學家自2009以來就以衛星持續觀測這個火山。 Hunga Tonga-Hunga Haʻapai海底火山的噴發型態為蒸氣式爆發火山 (hydrovolcanic eruption)型態, 又稱為蘇爾齊亞式噴發(Surtseyan eruption), 當(海)水從火山系統的裂隙與炙熱的岩漿接觸作用,水受熔岩加熱之後迅速形成蒸汽並劇烈膨脹, 與之接觸的岩層隨之碎裂成細粒灰塵,而其噴發通常是連續的或有節奏的,有很多水氣以及火山灰,產生一系列的水氣以及灰塵爆炸噴發, 這種噴發型態最有名的例子即 1963 年冰島海岸附近的 Surtsey 島的噴發和形成,因此以之命名。

這次Hunga Tonga-Hunga Haʻapai噴發的活動開始於2021年12月29日, 附近的地震儀都偵測到持續發生的群震,在海面也觀察到大量的火山灰、水氣、煙塵等等從噴發處冒出來。2022年1月3日之後火山噴發活動明顯減少,然而從 1月13日起火山的噴發活動又開始活躍起來,光學以及紅外線衛星都拍攝到火山連續幾日大量噴發的影像,持續到截稿前,Hunga Tonga-Hunga Haʻapai海底火山的噴發活動都尚未停止。 這種形式的火山每次的爆炸噴發點不會完全相同, 根據美國地質調查局以地震波定位,1月15號下午 (UTC 04:14:45)火山大噴發的中心位置座標為20.546°S 175.390°W(水平定位誤差為約22公里), 爆發能量相當一個規模5.8的地震。

不同於隱沒帶大地震地層錯位所造成的海嘯, 1月15日環太平洋地區的海嘯成因,是來自火山爆發的巨大空氣爆炸波(blast wave), 爆炸波除了在大氣層傳播(速度約330米/秒),爆炸衝擊波也會造成爆炸點附近的海水面劇烈的擾動,海水面擾動的重力位能轉成海嘯波, 從爆炸位置在水層中輻射傳播到環太平洋各處(以水深6000米估計,海嘯波傳速度約245米/秒)。 PTWC的海嘯浮標紀錄各測站的海水面高度值,並透過衛星將即時的觀測值持續傳回陸地的接收中心(台灣地區的接收中心為中央氣象局)。 當有海嘯波通過時,系統進入激發模式(triggered mode),立即回傳密集採樣的資料。

臺灣大學的海嘯觀測團隊初步分析1月15日氣象局的海嘯預警浮標系統紀錄,在1月15日海嘯事件中,布放在台灣島東部外海加瓜海脊東緣的測站在14:14:15 UTC (台灣當地時間 22:14:15) 進入激發模式,而若以美國地質調查所公布的發震時間04:14:45 (UTC) 為海嘯波傳播的起始時間,以水深6000米的海嘯波傳速度,海嘯波大約於12:50 UTC抵達氣象局東部海域的海嘯預警浮標站,比激發模式大約早了1個小時,但考慮海嘯實際波傳起始時間的不準確性以及海嘯波速度受傳播路徑的水深變化影響,評估到時與激發時間可視為大致相符;另外,從觀測資料的時序紀錄發現,在海嘯波抵達台灣測站大約2個多小時之前,氣象局的兩組系統都紀錄了到一個明顯的海水面擾動訊號,擾動訊號在東部海域的測站發生在11:02:30 UTC (台灣時間19:02),在西南海域的測站則發生在11:21:45 UTC (台灣時間19:21), 臺灣大學的海嘯觀測團隊發現這個海水擾動訊號與爆炸波的從火山傳到台灣測站的時間完全相符(見圖), 而根據氣象局陸上氣壓站的紀錄,當天晚上8時左右(~20:00)台灣島有記錄到爆炸的衝擊波(請查閱鄭明典博士的臉書), 目前大致斷定,這個海嘯之前的海水擾動訊號為爆炸波的空氣壓力變化造成海水面的擾動(海床水壓對應變化), 而以布放在西南外海的海嘯預警浮標系統紀錄(不受海嘯波影響)判定,台灣附近的海面擾動超過12個小時。

在這次事件中,氣象局的海嘯預警浮標系統記錄到從火山爆炸處啟動傳播的海水海嘯波, 也記錄到隨空氣衝擊波移動所造成海水面的擾動,廣義來說後者造成海水面重力位能變化也是海嘯波, 這次事件提供了海嘯波的啟動機制更多觀測資料以及物理模式的思考。

註:
  1. 本文為新聞訊息整理,後續分析可能更新本文內容。
  2. 相關火山爆發的特徵描述,經海洋研究所黃致展老師快速修正,特此感謝。

本文參考文獻:
  1. Global Volcanism Program, 2021. Report on Hunga Tonga-Hunga Ha'apai (Tonga). In: Sennert, S K (ed.), Weekly Volcanic Activity Report, 29 December-4 January 2022. Smithsonian Institution and US Geological Survey.
  2. 網站: https://cimss.ssec.wisc.edu/satellite-blog/archives/category/goes-17