汤加火山喷发是如此强大，以至于将涟漪送入太空

汤加正在进行的火山喷发始于2021年12月，但直到当地时间2022年1月15日下午5点15分，才发生了强大的爆炸。

它产生了巨大的灰烬，地震和海啸云，一直延伸到太平洋彼岸秘鲁遥远的海岸线。

现在，科学家们甚至在寻找太空中火山爆发的影响。

喷发柱到达了地球的平流层，这是大气层的第二层，从地面上升。爆炸的声音在数千公里外的加拿大育空地区听到。尽管低于人类听力的阈值，但英国的气压计甚至检测到了压力（声波）。

似乎这次喷发似乎也产生了一系列所谓的”大气重力波”，这些引力波是由美国宇航局的卫星探测到的，从火山向外辐射到同心圆。

包括我在内的科学家现在都在研究这些波可能对太空产生什么影响。

我们研究的目的是更好地了解大气层的顶层，远高于国际空间站（ISS）轨道的位置，特别是它的变化在多大程度上是由地球上的事件（而不是空间环境）驱动的。

它还可以帮助我们更好地了解GPS等技术如何受到火山爆发的影响。

由于大气层对人眼大多是透明的，因此我们很少将其视为具有许多不同层次的复杂而动态的结构 。我们大气层的上卷须远高于卡曼线，即海拔100公里（62英里）的点，太空正式开始。

这些大气层充满了向各个方向传播的波浪，与海面上的波浪没有什么不同。这种大气重力波可以由任意数量的现象产生，包括由太阳爆发引起的地磁风暴，地震，火山，雷暴，甚至日出。

您可能自己已经看到了这些效果的一些影响，因为这些相同的波浪可以产生起伏的云。

电离层

这些波不仅水平传播，而且还向上传播到我们星球大气层的一些最高部分 – 电离层。

这是地球大气层的一个区域，从大约65公里延伸到1000多公里（国际空间站的轨道约为400公里）。在这些高度，大气气体被部分”电离”，形成所谓的等离子体，这意味着它的分子被分裂成带电粒子 – 称为离子和负电子的正原子。

大气中的电离是由于太阳的紫外线辐射，来自太空的高能粒子，甚至流星燃烧而发生的。

但是，鉴于带相反电荷的粒子相互施加吸引力，就像磁铁粘在冰箱门上一样，离子和电子也倾向于重新组合，再次产生中性分子。

因此，在等离子体产生和由于重组引起的等离子体损失之间，电离层中存在复杂而连续的波动。

虽然这些过程在可见光下大多无法检测到，但它们会影响更长波长的无线电光。电离层中的等离子体可以反射某些频率的无线电波，将它们散射到其他频率，甚至完全阻挡它们。

这些特性使得电离层对一些现代技术有用，包括高频无线电通信和超视距雷达。

但就像在地面上一样，电离层也受到天气的影响。这是由太空环境（太空天气）或地球上的事件引起的。

空间扰动

当火山爆发（或任何来源）产生的大气重力波到达电离层时，它们可以触发所谓的”行进电离层扰动”。

这些是压缩波，可以在短时间内大大增强等离子体密度的波动，并且可以在全球传播数千英里。这些影响可能会破坏现代技术，例如干扰卫星全球定位系统（GPS）的精度。

过去的火山爆发与地面GPS接收器检测到的电离层中可测量的变化有关，例如在2015年和2013年。

为了更详细地研究这些干扰而不是它们对GPS的影响，我使用了来自低频阵列（Lofar）的设施的数据。Lofar是世界上最大的射电望远镜之一，由分布在欧洲各地的数十个无线电天线组成，旨在观察早期宇宙中遥远的天然无线电源，如射电星系。

当通过电离层观察时，空间中无线电源的外观类似于当我们搅拌（或摇晃）物体时，通过一杯水看到的物体会变得扭曲。

通过仔细分析，人们可以利用这些扭曲来了解电离层本身正在发生的事情。行进的电离层扰动可以增强这些失真，特别是在我们用于Lofar的无线电波长处。

由理查德·法洛斯（Richard Fallows）制作的上述视频（并在此处看到）显示了2013年12月的一些Lofar数据。明亮的光点是天然的无线电源，如遥远的星系。左图中的序列来自一个安静的夜晚，而在右图中，电离层受到干扰。可以看到源会快速改变位置并淡入和淡出。

在接下来的几周里，我们将非常仔细地研究我们的Lofar数据，以调查是否有明显的模式可以归因于汤加火山爆发。

最终，这项研究可以帮助我们更好地了解地球上的火山如何影响太空和技术。

由于电离层是地球和空间之间的大气界面，它甚至可以揭示地球与空间天气事件驱动扰动的确切程度。对话

Gareth Dorrian，伯明翰大学空间科学博士后研究员。

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