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来自深海的巨大能量

时间:
2021年04月26日 |
作者:
不二北斗 |
来源:
原理

新研究表明,海洋深处的火山喷发能够释放出非常强大的能量,其能量释放率足以为整个美国供能。

在我们生存的这颗星球上,仍然有一大片不为人知的领域,那就是海洋底部。一个令人惊讶的事实是,我们对海底的成像细节,甚至还不如对火星、月球和金星表面的成像细节来的清晰。假如把海洋中的水都抽干,我们的眼前将出现大片几乎不为人知的地貌。

事实上,地球上的绝大部分火山活动都发生在洋中脊和海底山,海底的岩浆活动占全球火山热通量的80%以上,深海火山活动驱动着地壳和海洋之间最剧烈的热量和质量传递。然而,与陆地火山不同的是,探测海底火山的爆发是极具挑战性的,因此对于海底火山活动及其在海洋环境中所起的作用,仍有很多未知的问题。

在陆地上,火山通常以爆炸性的方式产生壮观的喷发,并将火山灰散布到周围环境中。与之相比,科学家对与深海火山活动有关的能量释放的主要来源和强度则知之甚少。现在,一篇发表在《自然-通讯》杂志上的新研究表明,海洋深处的火山喷发能够释放出非常强大的能量,其能量释放率足以为整个美国供能。

在过去的一些研究中,通过分析由远程操作的潜艇所收集的数据,科学家发现海底普遍存在着火山灰沉积物。有的海洋微生物甚至会利用这些火山灰来搭建它们的窝。在陆地上,蒸汽是爆发性火山喷发的主要原因;科学家认为,海底的火山喷发不会是由蒸汽驱动的,而应该是由不断膨胀的二氧化碳气泡驱动的,因为蒸汽在高压下无法形成。他们认为由于海水的压力,深海的火山喷发只产生缓慢移动的熔岩流。

科学家普遍相信,海底的岩浆活动与一种被称为巨热流柱(megaplume)的神秘现象有关,这种热流柱是一些富含化学物质的热液,且体积巨大——可超过100立方千米(相当于4000万个标准游泳池大小)。然而,对于这种巨热流柱的具体起源,仍然不够明确。

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图片 黄色正方形标注的是已在海底探测到的巨热流柱的位置 ,红色三角显示的探测到的深海火山灰。| 图片来源:Pegler et. al. / Nature Communications

在新研究中,英国利兹大学的应用数学家Sam Pegler和地质学家David Ferguson通过利用过去研究中对太平洋东北部的火山灰沉积的详细测量数据,发现这些火山灰可以从喷发点蔓延到几千米之外的地方。而且他们意识到,这种扩散并不能简单地用潮汐或其他洋流来解释。

他们建立了一个用于描述火山灰在海底扩散的数学模型。通过计算,他们发现输送这些火山灰,需要火山喷发以大约1~2太瓦(1太瓦 = 10¹²瓦)的巨大功率释放能量,并在数小时内就形成与观测到的巨热流柱特征相符的热液羽状流,这些热液羽状流就像陆地火山的大气羽流一样——先是向上升腾,然后向水平方向扩散。这为证明巨热流柱与活跃的深海火山喷发有关提供了强有力的证据。

那么,到底是什么产生了如此强烈的热量和化学物质,并最终形成了巨热流柱呢?

一个最显而易见的候选答案是——最新喷发的熔岩。乍一看,新结果似乎支持这种说法,它们表明巨热流柱的形成与熔岩和火山喷发同时发生。但是,当研究人员计算了这一过程所需的熔岩量时,发现得到的数据高到不合理——是大多数情况下海底熔岩流的十倍。

也就是说,只有火山过程所释放的能量,很难驱动一个巨热流柱,它很可能需要额外的热量输入。研究人员猜测,它们很可能是由在海洋地壳中的热液的快速排出造成的。当岩浆向上喷发时,很可能会带动这些温度高于300°C的流体。

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图片 岩浆和(或)地壳内的液体的热量使得热液羽状流形成一个对流主干,这些流体在周围海水的包围下积累并冷却,接着它们形成了在水平方向流动的结构。| 图片来源:Pegler et. al. / Nature Communications

我们早已知道在地表下的岩石中生活着各种各样的微生物。在海底的热泉喷口附近,科学家还发现过一些“极端微生物”(生活在极端环境中的微生物),这样的发现进一步推动了我们对于生命的定义的思考。新的研究表明,巨热流柱来自地壳,这一结果与在某些巨热流柱中检测到了这些细菌是一致的——与巨热流柱的形成有关的热液的快速排出,有可能是将这些微生物从地下分散出去的主要机制。如果是这样的话,那么深海火山活动就是影响了极端微生物群落的地理分布的一个重要因素。

一些科学家认为,与海底热液系统有关的不寻常的物理和化学条件,可能为地球上生命的起源提供了适宜的环境。因此,巨热流柱可能参与了生命在海洋中的传播。由巨热流柱喷发的火山灰沉积物在深海火山中很常见,这意味着或许通过巨热流柱的喷发,生物得以广泛繁衍。

虽然目前我们还不太可能直接观测深海火山喷发,但科学家正在努力收集海底火山活动的数据。希望在不久的未来,我们将揭示出更多关于海洋的火山特征。

#创作团队:

编译:不二北斗

#参考来源:

https://theconversation.com/deep-sea-volcanic-eruptions-create-megaplumes-that-may-have-dispersed-early-life-159264 

https://www.nature.com/articles/s41467-021-22439-y http://www.leeds.ac.uk/news/article/4803/energy_unleashed_by_submarine_volcanoes_could_power_a_continent

#图片来源:

封面图:NOAA / NSF / WHOI

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