位于南太平洋汤加群岛地区的洪加汤加-洪加哈阿帕伊火山在2022年1月发生大规模爆发。除了巨大的气体和碎片羽流外，这次爆发还引发了穿过整个地球大气层的压力波，引发了远至阿拉斯加都能听到的音爆，并引发了席卷附近岛屿的海啸。
这一戏剧性事件对专注于难以捉摸的大气现象的科学家特别有趣；许多卫星监测了火山爆发的影响。伯明翰大学的空间天气科学家大卫·特门斯说，自那时以来，研究人员已经发表了大量关于大气对火山爆发响应的论文，他本人也发表过关于该主题的论文。
在一项新的研究中，日本科学家利用两颗卫星的数据来了解爆发后形成的巨大且不规则的赤道等离子体泡。等离子体泡是带电粒子等离子体的密度远低于通常在上层大气中发现的区域。这些气泡通常在各种类型的大气波使电离层下边缘不稳定时形成——电离层是地球大气层的一层，从地球表面上方数十公里延伸至数百公里，并以带电粒子为主。研究人员认为，汤加火山爆发产生了压力波，这会导致物质（在本例中为空气）的压力上升和下降。这种作用引发了在赤道附近形成气泡。
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这项新研究发现，根据日本名古屋大学空间和行星科学助理教授新堀笃志（Atsuki Shinbori）的说法，该气泡高度约为2000公里，覆盖面积为67万平方公里（约30个新泽西州）。
研究人员还观察到，即使在火山爆发的大气压力波到达之前，电离层就开始发生变化，带负电的电子变得更加普遍。“结果令人兴奋，很好地解释了对流层（即地球表面）气压波到达前几分钟到几小时发生的电离层向上运动，”中国科学院研究地球大气层等离子体密度的李国柱说，他没有参与这项新研究。
研究人员表示，这一发现 подчеркивает 科学家们在等离子体泡（较小的等离子体泡每天在日落时分形成）以及大气不同层如何相互作用方面还有更多需要了解的地方。
尽管等离子体泡听起来很深奥，但它们会干扰GPS系统，因为电离层的不规则性会改变来自这些卫星的信号到达地面设备的速度。特门斯说，普通人使用GPS在城市中导航可能不会注意到差异，他没有参与这项新研究，但中断可能会成为某些超精密GPS应用的难题，例如在农业或采矿作业中。“因此，我们需要了解等离子体泡的产生过程，并预测等离子体泡的发生，这是空间天气研究中最重要的议题之一，”新堀说。
这项新研究表明，依赖电离层系统的行业和人员可以提前预警这些气泡。台湾成功大学大气科学家林查尔斯（Charles Lin）说：“电离层观测显示，扰动发生在火山大气波之前。”他没有参与这项研究。“因此，有可能通过观测电离层来开发早期预警系统。” 这样的系统可以在GPS等可能不太可靠时向人们发出警告。
当谈到汤加火山爆发本身的研究时，特门斯说，科学家现在应该将重心从像这样的观测研究转向计算机建模工作，这可以帮助梳理出不同现象之间的相互作用。“我认为已经完成的工作范围非常广泛，”他说，并补充说这次火山爆发“启动”了对这些主题的研究。
“在电离层科学中，我们没有实验室实验，因为我们身处一个我们无法控制的环境中。因此，像这样极端的、经过充分研究的事件是我们拥有的最接近实验室实验的东西，”特门斯说。“我们可以探索我们原本永远无法探索的物理学。”