隱藏在大氣裡的神祕訊息！用氣象衛星監測火山爆發產生的氣象波動與環境汙染
作者／邱麒豪（國立中央大學大氣物理研究所博士候選人）、劉千義（中央研究院環境變遷研究中心副研究員）

咦！地球彼端的火山爆發和我們有什麼關係？
距離臺灣八千多公里的東加王國發生了前所未有的火山爆發，當太平洋周遭國家開始擔心海底火山噴發引起海嘯的同時，卻有更多不為人知的事情正悄然發生。到底火山噴發的同時除了引發海嘯還造成什麼樣影響呢？讓我們一同來瞭解！
 
不見也摸不著的看氣象波動——大氣重力波
大氣的重力波現象並不罕見，通常是垂直方向上的氣塊受到擾動，在浮力（作為恢復力）與重力的雙重影響下而在水平面上形成振盪式的波動。
常見的氣流流經山峰並在背風處產生圓盤狀的雲系（莢狀高積雲），以及晴朗穩定天氣下出現的波狀高積雲即為大氣重力波在自然這張畫布下最好的圖繪。而火山爆發，同樣有機會引起大氣重力波。
西元 2022 年 1 月 15 日，臺灣時間下午 12 時 20 分（事發當地時間下午 5 時 20 分）左右，位於西南太平洋島國——東加王國首都努瓜婁發（Nuku’alofa）北方65公里的洪加湯加－洪加哈派（Hunga Tonga-Hunga Ha’apai）海底火山大規模爆發，伴隨而來的地震與引起的海嘯引發世界的關注。
這場可能是 21 世紀以來最大規模的火山噴發，其一連串的後續效應不僅被地震儀及海象儀器記錄下來，當天下午 8 時左右，臺灣的氣象站也陸續觀測到海底火山噴發造成的氣壓變化，根據觀測資料顯示，這次的海底火山噴發事件在臺灣造成的氣壓變化量約 1 至 2 百帕（hPa），這大約是日常標準大氣壓力的千分之一至千分之二的變動（圖一）。

【圖一】中央氣象局 222 個自動氣象站氣壓擾動動畫。
圖／中央氣象局第二組；資料來源：中央氣象局
若將地面氣壓資料的解析度提高到每分鐘，並將中央氣象局109個局屬測站由東南向西北排列，繪製成臺灣高密度測站氣壓擾動的二維時間序列圖（圖二），火山噴發由東南向西北傳遞的能量作用於大氣中最先於臺灣東南方的蘭嶼測站測量到，時間上和最晚被觀測到的馬祖測站相差約 25 分鐘。其次，火山噴發造成的大氣波動除了氣壓變化最為劇烈的主波外，尚有前導波與數次的餘波產生。

【圖二】中央氣象局 109 個局屬測站氣壓擾動二維時間序列圖。
圖／黃椿喜博士；資料來源：中央氣象局
 
綜觀全球的大眼睛——從氣象衛星看見大氣重力波
從上圖可以觀察到，這些波動的週期約為 10 到 15 分鐘，不容易從 10 分鐘的觀測資料中發現。目前在西太平洋與東太平洋地區監測的地球同步衛星向日葵八號（Himawari-8）與 GOES-17，可分別提供 2.5 分鐘與 1 分鐘高解析度的衛星觀測，對於高頻的大氣波動將有比過往更好的解析能力。
不只是地面氣象觀測站，位於地球上空 3 萬 6 千公里的地球同步衛星同樣也捕捉到火山噴發的證據。日本氣象衛星 Himawari-8 觀測到火山噴發後產生的陣陣漣漪（圖三），以火山噴發口為中心產生的漣漪即為大氣的重力波現象。

【圖三】火山噴發造成雲頂高度變化的重力波振盪。
圖／邱麒豪；資料來源：Himawari-8
東加王國所在的區域不僅位於向日葵八號的觀測網內，也涵蓋在美國的地球同步衛星 GOES-17 監測之中。下圖（圖四）為 GOES-17 氣象衛星紅外線水氣頻道每 10 分鐘的亮度溫度差，藉由對流層中層的水氣頻道雲圖可以明顯看到火山爆發產生的內重力波由火山口為圓心向外傳遞。

圖四】火山噴發造成的重力波振盪。
圖／CIMSS / UW-Madison；資料來源：GOES-17
火山噴發引起快速上升的氣流與火山灰造成的重力波現象在學理上是可行的，但在觀測上實屬少見，特別是海底火山能將大量的火山灰與氣體穿過海洋快速釋放至大氣中，並造成如此壯觀的大氣波動並不是件容易的事。
這場大氣波動產生的雲系高度深，範圍廣，觀測到的雲頂紅外線亮度溫度達 -105.18ºC 可能打破了自 20 世紀末有雲頂溫度的監測以降，最低溫的紀錄（圖五）。

【圖五】火山噴發產生的重力波雲，雲頂亮度溫度達 -105.18ºC。
圖／CIMSS / UW-Madison；資料來源：GOES-17
 
除了上述的兩顆地球同步衛星，搭載於美國國家航空暨太空總署（NASA）之 Aqua 衛星上的大氣紅外探空儀（Atmospheric Infrared Sounder，AIRS）也同時發現了此一現象（圖六）。德國尤利希超級運算中心的大氣科學家——霍夫曼博士（Dr. Lars Hoffmann）說：「AIRS 自 2002 年 5 月開始觀測以來，從未在過往的火山噴發個案中發現過類似的情況」，這也意味著這次的海底火山噴發事件是前所未有的劇烈。
 
 

【圖六】AIRS／Terra 觀測到數量極為龐大的同心圓狀重力波雲。
圖／Dr. Lars Hoffmann；資料來源：AIRS／Terra
 
英國牛津大學物理系大氣、海洋與行星物理組的氣候科學家 Scott Osprey 博士也表示：「這次噴發可能會干擾熱帶地區風向週期性的逆轉，長遠看來或許會造成歐洲地區天氣型態的改變，必須非常小心地關注它造成的變化」，可見整個地球系統都可能因為這次的火山爆發造成巨大的影響。
 
 
雲圖之外——衛星於汙染物探勘之應用
衛星不僅僅能夠監測雲層的移動與大氣中的水氣分佈，近年來較為廣泛的應用是使用衛星針對大氣中的汙染因子做大範圍的遙測。舉凡工業污染排放之氣溶膠、交通源排放之二氧化氮，以及生質燃燒產生之煙塵與黑碳微粒，均可藉由衛星的觀測進而推估汙染程度，並搭配氣象模式的模擬進行短期的預警。
 
下圖（圖七）為 NASA 的 Suomi-NPP 衛星觀測到的氣膠垂直剖面分佈與雲頂高度，可以清楚看到伴隨火山噴發的氣膠粒子衝破對流層進入平流層，高度可達 30 公里。這些氣膠粒子在平流層中不易沉降至地表，長期下來可能會對氣候造成重大影響。舉例而言，氣膠依照光學特性的不同可粗略分為散射能力較強與吸收能力較強的兩大群體，散射能力較強的氣膠進到平流層中將造成更多的太陽短波輻射被反射回外太空，進而降低地球平均溫度（氣膠直接效應）；反之吸收能力好的氣膠則是會讓地球溫度上升。

【圖七】Suomi-NPP 探測到火山噴發的氣膠粒子可衝破對流層進入平流層。
圖／Dr. Ghassan Taha；資料來源：Suomi-NPP
 
而對流層中的氣膠對氣候的影響更為複雜，會進一步改變雲的微物理狀態，在特定條件下吸濕性高的氣膠容易成為雲的凝結核，若大氣中的水氣含量不變，這些新形成的雲凝結核有可能與大氣中既有的雲滴競爭原先的水氣，進而致使雲滴數目增加且雲滴平均的粒徑降低，進而散射截面積增加，反射更多太陽光而達到降溫的效果。但也因為雲滴粒徑變小後，變得不利於雲滴粒子間的碰撞合併過程而形成為雨滴，使得地表降水減少與雲的生命週期增加，此謂氣膠間接效應。
不管是氣膠的直接效應或是間接效應都非常複雜，會受到氣膠種類、氣膠數量、氣膠粒徑分佈、大氣條件等影響，也正因為充滿了各種不確定性，氣膠的氣候效應預測非常困難，目前還需要更多的觀測，特別是用大範圍的衛星觀測加以驗證與評估。
 
火山噴發除了氣膠粒子的污染以外，對環境造成的另一個衝擊是大量的氣體被釋放到大氣中。常見的火山氣體有：水氣（H2O）、二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）、硫化氫（H2S）與氮氧化物（NOx）等。
 
以二氧化硫為例，評估大氣中微量氣體多寡的單位為杜布森（Dubson， DU），指的是一大氣壓的空氣柱中，該氣體分子累積起來的厚度（垂直積分）多寡。若將氣柱中的二氧化硫全部累積在一起相當於 10 微米厚，稱為 1 DU 的二氧化硫。SO2 氣候平均值約略低為 0.5 DU，歐洲氣象衛星開發組織（EUMETSAT）的 MetOP-B 與 MetOP-C 觀測到的峰值高達 50 DU 以上，高於氣候平均值 100 倍。（圖八）

【圖八】MetOP-B 與 MetOP-C 發現火山噴發的二氧化硫濃度超過氣候平均值 100 倍。圖／Dr. Simon Carn；資料來源：MetOP-B & MetOP-C
氣象與環境衛星遙測之展望
近年隨著科技的發展與遙測技術的精進，氣象衛星能提供的不僅僅是精美的天氣雲圖，還有許多從雲圖看不出來的科學議題可加以探討。這些科學議題不單只存在於象牙塔內，更多且更重要的是生活上的應用。社會大眾關心的是：下午的聚會會不會下雨？明天空氣汙染有多糟？或是下禮拜一晚上會多冷？
衛星掩星觀測技術的發展（如：福衛三號、福衛七號、Sentinel-6 等）補足了廣大洋面探空資料的缺失以及人力施放的不足，蒐集偏折角資訊與折射率變化推估出的大氣垂直溫溼度剖面，藉由數值預報模式的資料同化系統改善天氣預報的誤差。
汙染物濃度的監測也可以藉由衛星的觀測進行評估，不論是民眾在乎的近地表懸浮微粒濃度抑或是工業燃燒造成的空氣汙染，皆可藉由衛星的探測第一手掌握（如文章提到的 MetOP-B、MetOP-C 以及 Sentinel-5P）。
 
降雨來自天空中的雲，若能對雨的前驅物—雲有更深的瞭解，降雨的推估也能做得更準確。以我們所處的東亞地區而言，像是以 Himawari-8 觀測而開發的雲微物理科學資料，或是國際上整合多重衛星觀測的日本 GSMaP 、美國 NASA IMERG 等衛星推估的地面降水資料就是很好的例子。
 
當然，科學的發展並不是單純為民生服務，但在發展科學的同時能兼顧民眾的福祉相信也是社會大眾所樂見的。
 
原文轉載自【泛科學】
https://pansci.asia/archives/342869