汤加火山喷发如何撼动高层大气？

中国科学技术大学教授雷久侯团队联合国际同行，结合数值模拟与卫星观测，揭示了汤加火山喷发能量跨越大气多圈层传播并影响低轨道卫星高度的大气层的物理过程。相关成果近日发表在《美国地球物理学会进展》，并入选美国地球物理学会会刊Eos亮点论文。

2022年1月15日，南太平洋汤加海底火山剧烈喷发，其喷发羽流高度超过57公里，成为卫星观测时代以来最强火山活动之一。这场“世纪喷发”不仅在地表引发了地震、海啸以及对流层大气扰动，更在数小时内波及高达500公里的卫星轨道高度大气层。研究团队利用GRACE-FO低轨道卫星探测的热层密度扰动信号，结合对大气扰动传播路径的完整模拟与重建，还原了能量传输的关键过程。

模拟表明，汤加火山喷发形成的巨大羽流突破对流层和平流层，同时激发了初级重力波；初级重力波向上传播并逐渐耗散，在低热层区域再次激发出波长更长、传播更远的次级重力波。这一系列重力波如同“能量接力棒”，将地表扰动能量持续向上传输，直达空间站高度的热层区域，形成了显著的大尺度热层波动，并在全球范围内重塑了热层大气的分布结构。另外，模拟表明火山喷发激发的Lamb波也可上传并影响高层大气，然而幅度相对较小，约为次级重力波的四分之一。

研究人员介绍，这项研究不仅深化了学术界对地表强扰动事件如何影响空间环境的认识，也为高层大气模式优化、近地飞行器轨道定位与预报奠定理论基础。