汤加喷发如此猛烈以至于气氛像钟声一样响起

Hunga Tonga-Hunga Ha'apai 喷发于 2022 年 1 月 15 日达到爆炸性高潮。其快速释放的能量推动了一场海洋海啸，造成远至西海岸的破坏，但它也在大气中产生了压力波迅速传遍全球。

喷发附近的大气波型相当复杂，但在数千英里外，它似乎是一个孤立的波阵面，以每小时650多英里的速度水平传播，向外扩散。

宇航局戈达德太空飞行中心的首席科学家詹姆斯·加文告诉 NPR，该航天局估计这次爆炸的能量约为 10 兆吨 TNT，大约是二战期间在广岛投下的炸弹的 500 倍。从上面用红外传感器观察的卫星来看，波浪看起来像是在池塘里扔石头产生的涟漪。

当它在北美、、欧洲和全球许多其他地方移动时，脉冲记录为持续几分钟的大气压力扰动。在网上，当观察者将他们的气压观测结果发布到社交媒体时，人们实时跟踪脉搏的进展。波在全世界传播并在大约 35 小时内返回。

我是一名气象学家，研究全球大气的振荡已有近 4 年的历史。汤加喷发造成的波前扩展是大气波全球传播现象的一个特别引人注目的例子，这种现象在包括核试验在内的其他历史性爆炸事件之后已经出现。

这次爆发的威力如此之大，以至于大气都像钟声一样响起，尽管频率太低而听不见。这是 200 多年前首次被理论化的现象。

喀拉喀托，1883 年

第一个引起科学关注的压力波是由1883 年尼西亚喀拉喀托火山的大爆发产生的。

Krakatoa 波脉冲在世界各地的气压观测中被检测到。当然，当时的通讯速度较慢，但​​在几年内，科学家们将各种单独的观察结果结合起来，并能够在世界地图上绘制出喷发后数小时和数日内压力前沿的传播。

波前从 Krakatoa 向外传播，并被观察到至少完成了三个完整的环球旅行。伦敦皇家学会在 1888 年关于喷发的著名报告中发布了一系列说明波前传播的地图。

在喀拉喀托火山或最近的汤加火山喷发后看到的波浪是非常低频的声波。部压力变化在相邻空气上产生一个力时，传播发生，然后加速，导致膨胀或压缩伴随着压力变化，这反过来又迫使空气沿着波的路径走得更远。

在我们对高频声波的正常体验中，我们期望声音以直线传播，例如，从爆炸的烟花火箭直接到达地面旁观者的耳朵。但是这些全球压力脉冲具有仅水平传播的特性，并且随着它们遵循地球的曲率而弯曲。

200 多年前，伟大的法国数学家、物理学家和天文学家Pierre-Simon de Laplace预测了这种行为。

拉普拉斯的理论基于控制全球范围内大气运动的物理方程。他预测，大气中应该存在一类传播迅速但紧贴地球表面的运动。拉普拉斯表明，相对于垂直空气运动，重力和大气浮力有利于水平空气运动，其中一个效果是允许一些大气波跟随地球的曲率。

在 19 世纪的大部分时间里，这似乎是一个有点抽象的想法。但 1883 年喀拉喀托火山爆发后的压力数据以戏剧性的方式表明，拉普拉斯是正确的，并且这些环绕地球的运动可以被激发并传播到很远的距离。

对这种行为的了解今天用于探测遥远的核爆炸。但是，拉普拉斯理论对全球大气背景振动的全部影响直到最近才得到证实。

像钟声一样响起

使大气像钟声一样响起的喷发是拉普拉斯理论化的现象的一种表现。同样的现象也存在于大气的全球振动中。

这些全球性的振荡，类似于浴缸里的水来回晃动，直到最近才被最终检测到。

波可以迅速连接整个地球的大气，就像波通过乐器传播，如小提琴弦、鼓皮或金属铃。大气可以并且确实以一组不同的频率“响铃”。

2020 年，我和京都大学的同事Takatoshi Sakazaki能够利用现代观测证实拉普拉斯理论对全球大气相干振动的影响。38 年来，我们在全球各地每小时分析一个新发布的大气压力数据集，我们能够发现拉普拉斯和其他追随他的人所推测的全球模式和频率。

这些全球大气振荡的频率太低而无法听到，但它们会被大气中的所有其他运动持续激发，为我们大气中更剧烈的天气波动提供非常温和但持久的“背景音乐”。

拉普拉斯的工作是我们现代计算机天气预报道路上的第一步。

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