火山噴發蒸汽圈成因初探

張健

洛陽實驗小學，河南 洛陽 471000

火山噴發蒸汽圈成因初探

張健

洛陽實驗小學，河南 洛陽 471000

運用類比推理，分析噴發蒸汽圈的成因，形成假說。眾所周知，能噴出煙圈的現象不多，無外乎一是吸煙人用嘴吐出煙圈，二是拖拉機剛發動時從煙筒里噴出煙圈。

2010年冰島埃亞菲亞德拉火山噴發時，美國地質學家記錄到火山噴發蒸汽圈現象，目前關于這種火山蒸汽圈的形成原因仍然是個謎。為探究這一奇特現象產生的原因，特制作模型進行研究，從而揭示出火山噴發蒸汽圈產生的基本條件，對研究火山運動及噴發現象具有科學認識價值。

火山噴發；冰島；蒸汽圈；成因

volcano eruption;lceland steam coil causes

前言

火山噴發蒸汽圈現象是火山內部運動產生氣體外泄形成的自然景觀，其具體成因目前文獻中還沒有確定性結論。

關于火山噴發出巨大的蒸汽圈的文獻和報刊報道，北京時間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，不僅噴發頻次高，它還有一個極罕見的現象，火山噴發出巨大的蒸汽圈（見圖1所示）[1]。早在2000年，也有該火山噴出蒸氣圈的相關報道和圖片資料。2010年冰島埃亞菲亞德拉火山噴發時，美國地質學家也記錄到火山噴發蒸汽圈現象。目前關于這種火山蒸汽圈的形成原因仍然是個謎，科學家推測，該現象極有可能是蒸汽和氣體噴發物從狹窄的火山噴發口噴出時所形成的（飄到高處才顯現出來），就好似從吸煙者嘴中吐出的煙圈。

目前關于火山噴發蒸汽圈產生原因的報道或論文甚少，關于火山為什么會噴發蒸汽圈？揭示這一奇特的有趣的現象，并通過物理模型對此進行探究就具有科學認識價值。

圖1 2010意大利西西里島的埃特納火山

1 分析現象，提出假說

圖3 口吐煙圈

1.1 產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，也就是口腔里存儲有煙。2）.有噴發氣體的動力。吸煙人吐出煙圈的動力是：手指敲擊腮幫或舌頭向前伸展彈射產生的動力。3）.不是連續著的噴發，而是只有一股氣體的噴發。吸煙人用手指敲擊腮幫一次就有一次噴發，或者舌頭向前伸展彈射一次就有一次噴發。4）.與口型空間有關?？谇粌纫幸欢ǖ目臻g。形成肚大口小的形狀。

拖拉機噴煙圈的因素有：1）.氣缸里有氣體噴出；2）.也有噴發氣體的動力，這個動力就是從氣缸噴發出的剛燃燒過的氣體；3）.也不是連續著的噴發，也是只有一股氣體的噴發，這是因為拖拉機剛發動時氣缸轉換較慢，形成不了連續的噴發；4）.拖拉機排氣管上有一個消音裝置，安裝在排氣管上端，突然變粗增大，內部形成一個大的空間，原本是起到消音作用的，這時也構成了煙圈的產生。

1.2 煙圈產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。腮幫恢復原狀，嘴內壓力減小，不能再連續噴發煙。這一小股煙恰能形成一個圓環的煙量。圓環的形成是煙從嘴口噴出時，中心的力度大，速度快，四周的煙受到內壁的阻礙和嘴邊的阻力速度變慢，形成一個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。這樣形成一個從中間向外翻卷著的，同時又向前運動著的煙圈。如果嘴張得較大也不會形成煙圈。

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半圓，舌頭尖的部位落在煙的中間，產生的力度最大，舌頭邊的產生的力度小，這樣也會形成一個從中間向外翻卷著的，同時又向前運動著的煙圈。如果舌頭用力過大或過小，嘴張得過大或過小也不會形成煙圈。

剛剛發動的拖拉機排氣管產生煙圈的過程是：一股一股從氣缸噴發出的剛燃燒過的氣體有明顯的時間間隔，當氣體噴到消音裝置的地方，空間突然變粗增大，內部形成一個大的空間，又馬上變細聚小，又形成漏斗型空間，這就與嘴噴發煙圈的的現象一樣了。

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

再進一步分析，具備這些條件后火山能夠形成蒸汽圈的噴發有兩種可能：1)氣體來源于巖漿內部形成的噴發；2)氣體存儲在火山通道下的空間內形成的噴發。

氣體來源于巖漿內部的噴發：當有一團含有揮發份氣體的巖漿，上升或運動到火山通道時，巖漿上部壓力減小，禁錮在液體中的氣泡會迅速釋放出來，導致爆炸性噴發[2]，這時具備了噴發蒸汽圈的基本條件。

氣體存儲在火山通道下的空間內形成的噴發。巖漿在不停地運動著，有的地方上升，就會同時伴隨著有的地方下降。有的地方下降，就會同時伴隨著有的地方上升。運動的巖漿會向壓力小的地方運動（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，會在這個地方突然上升，火山通道下的空間內的氣體被涌起的巖漿擠壓噴發而出。這時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，驗證假說

火山噴發蒸汽圈的成因是否像我們根據吸煙人噴吐煙圈的成因所推導的形成過程呢？本文進一步用模型演示來驗證（如圖5）。

制作這個模型，是圍繞以上四個產生煙圈的基本要素而設計制作的。1）用煙霧球產生白煙儲存在儲煙桶里，用小電扇推動上升氣流，能讓白煙溢出。2）噴發氣體的動力是人提起提柄產生的動力。3）提起提柄只能產生一股氣體的噴發，而不是連續著的噴發。4）瓶子口內的空間就是倒立的漏斗型空間。

圖5 火山噴發蒸汽圈試驗模型

工作原理：點燃的煙霧球在金屬燃燒盒里產生白煙，白煙在儲煙桶里存積。打開開關，葉輪轉動產生上升氣流，氣流通過白煙通道進入內瓶，白煙充滿內瓶后再進入外瓶，當白煙充滿外瓶后白煙會從“火山口”冒出。這時關閉開關，手握提柄向上猛然提起，活塞堵塞內瓶口，防止氣流回流，擠壓白煙從外瓶口噴出，這時產生煙圈從“火山口”噴出。

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

本模型通過操作能夠產生煙圈，也許這就是火山能夠噴發蒸汽圈的真正原理。

從本模型的演示進一步發現：

2.1 模型“火山”口內部溢出的白煙氣體，不能多也不能少。氣體多了，噴發出的白煙一涌而出，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，氣體不能多也不能少。氣體多了，噴發出的白煙一涌而出，接近蘑菇云形態的煙，形成不了蒸汽圈;氣體少了，白煙一出火山口就飄散了。

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

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

2.4 從摹擬火山通道下的空間不同形狀實驗發現，倒立的漏斗型空間最容易產生煙圈。這是因為：氣流受到縮小的火山口的阻礙，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渦流。由查閱有關火山成因的資料得知：“氣體物質的溶蝕作用。一般火山內部置換物質的頂層由氣體構成，氣體在巨大的壓力下溫度會上升，并開始溶蝕置換空間頂層的巖石和噴發通道中的結晶巖，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，火山噴發蒸汽圈的形成與火山通道內部倒立的漏斗型空間有關（如圖6）。

圖6 火山噴發蒸汽圈原理分析圖

3 歸納總結，形成認知

總結以上的驗證和論述可得出：從巖漿內溢出的或者是涌起巖漿擠壓的一團氣體向上涌噴時，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，形成一個旋轉渦流。當這股氣流沖出火山口瞬間氣壓減小，就會形成一股由中間向外翻卷著前沖噴射的圓圈狀氣流團，這就是火山噴發的蒸氣圈。

那么，2010年4月冰島埃亞菲亞德拉火山噴發蒸汽圈現象的形成是因為：

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，一般不會有更長時間的停留，巖漿補充的速率很快，釋放的也很快，沒有長時間的氣體富集過程，所以這種分離性板塊邊界的火山噴發往往不會由于大量氣體聚集而形成劇烈的爆破性噴發。這也是冰島歷來火山活動雖然頻繁但是沒有爆破型危害的原因?！盵4]動力因素已具備。

2)“位于北極圈之內的埃亞菲亞德拉火山，常年被冰川覆蓋。火山噴發時，內部物質與覆蓋在火山口厚厚的冰川共同作用，當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?！盵5]白色煙灰因素已具備。

3)從冰島埃亞菲亞德拉火山噴發的時間上推段，4月20日以后，已從噴煙灰轉向噴巖漿的后期，已處在間歇性噴發，噴發力量越來越弱，有時巖漿已經不能溢出火山口，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。

當噴發力量越來越弱，弱到一定程度時，恰能噴出存儲在火山通道底部空間的水蒸氣時，這一團氣體就構成了形成噴發蒸汽圈的所有條件，一個巨大的蒸汽圈就能噴薄而出，冉冉升起。

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

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

[2]中國地質圖書館.火山科普知識火山成因 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.關于火山成因的探討. 新疆石油地質.2011, 32(5):564-568

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

[5]中國新聞網.冰島火山爆發出現新兆 “噴煙灰”轉向“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?。郝尻柺袑嶒炐W，小學高級教師，大專，洛陽市小學科學學科國家級骨干教師，特級名師。