2018年6月，危地马拉的富埃戈火山爆发时，喷发出滚滚浓烟，夹杂着气体、火山灰和岩石，沿着山坡倾泻而下。在许多智能手机视频中，爆发时涌出的碎屑看起来往往令人安心地遥远——直到突然间，它不再遥远。
火山碎屑流（正如它们被称呼的那样）为何能如此快速地移动，长期以来一直困扰着火山学家和灾害规划者，使火山活跃地区的社区面临风险。然而，现在一项新的研究提供了解释：流内部的力量产生了一个气垫，使得大量的炽热岩石像冰球在空气曲棍球桌上一样滑动。“这有点像碎屑流在极低摩擦力的东西上冲浪，”领导这项研究的新西兰梅西大学的火山学家格特·卢布说。
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火山碎屑流——它可以以每小时超过 50 英里的速度喷射出灼热的气体、岩石和火山灰——以及密切相关的被称为火山泥流的泥石流，导致了火山造成的一半死亡人数。它们突然发生，几乎没有预警，而且身处险境的人们根本不会想到，由高摩擦岩石颗粒组成的物质会像水一样顺畅快速地流动。
图片来源：Melissa Thomas Baum；资料来源：Gert Lube 等人的“火山碎屑密度流中空气润滑的产生”，以及 Alain Burgisser 在《自然地球科学》中的“在稀薄空气中传播”。第 12 卷第 4 期；2019年4月8日
去年六月的富埃戈火山爆发说明了误解火山碎屑流的危险性。炽热的火山崩塌完全淹没了圣米格尔洛特斯村，造成至少 200 人死亡。密歇根理工大学的火山学家鲁迪格·埃斯科巴·沃尔夫说，在爆发之前，该镇不被认为有直接袭击的高风险，因为它相对远离火山碎屑流的主要潜在通道，他没有参与卢布的研究。“我在那座火山工作了很多年，我感到很惊讶，”他说。
埃斯科巴·沃尔夫和其他灾害研究人员使用模型来尝试预测碎屑流的去向和距离，以便绘制危险区域。但是他们无法直接测量碎屑流内部的物理特性，因为汹涌的火山岩和火山灰往往会摧毁路径上的科学仪器。而且小规模的实验室实验并不能很好地模拟碎屑流。这意味着现有的模型远非完美，使得火山附近的社区可能准备不足。
卢布和他的团队决定看看扩大实验规模是否能让他们更好地了解正在发生的事情。他们使用了一个类似于激流勇进的系统，他们称之为 PELE——火山碎屑流爆发大规模实验的缩写。水槽长 12 米，宽半米。利用悬挂在水槽上方的料斗，该团队可以将多达 1300 公斤的加热火山物质从斜坡上倾泻而下，同时仪器测量压力和温度。
流动原理
研究人员使用了公元 232 年新西兰陶波火山爆发的物质，该火山喷发物散布着丰富的浮石和火山灰资源，距离梅西大学只有几个小时的车程，非常方便。他们将混合物加热到 15 至 130 摄氏度的温度。当他们跟踪碎屑流沿水槽向下流动时，他们注意到，无论温度如何，物质都迅速分离成两层：一层是高达 4.5 米的弥散性火山灰云，另一层是 0.8 米厚的致密基层。
这个基层层掌握着火山碎屑流速度的秘密。卢布说，火山颗粒的快速运动在该层底部产生了强大的剪切力，这种剪切力将一些颗粒推向一个方向，而将另一些颗粒推向平行但相反的方向。剪切力导致了一个低压区，该低压区将气体吸入，而不是让气体向上逸出碎屑流。这在火山碎屑流云的底部形成了一个低摩擦力的光滑气体层——这一层让碎屑流真正地流动起来。
卢布和他的同事将他们的实验结果输入到火山碎屑流的计算机模型中，发现这种减摩机制也发生在真实世界的尺度和 400 摄氏度的温度下。“这似乎让我们非常有信心，它几乎会在地球上每一种火山碎屑流情况下发生，”卢布说。
与该研究一同发表评论的阿兰·伯吉瑟说，周一发表在《自然地球科学》上的这些发现是同类研究中的首例。伯吉瑟说，驱动润滑过程的剪切力之所以显现出来，只是因为实验规模相对较大，“这解释了为什么直到现在才注意到气垫”。
卢布现在正与建模研究人员合作，将这些新的物理原理添加到世界各地火山碎屑流的模拟中，以便他们可以将结果与历史爆发中碎屑流的实际路径进行比较。埃斯科巴·沃尔夫说，当地的细节很重要。例如，陶波火山灰与富埃戈火山的火山灰不同，真实世界火山碎屑流的温度（也可能影响其行为）可能在 200 到 700 摄氏度之间变化。尽管如此，论文中的信息可能对模拟未来的火山灾害非常有用。“这个实验可能无法涵盖整个光谱，”埃斯科巴·沃尔夫说，“但它告诉我们一些基本的东西。”