トンガは今年、地球史上最大の噴煙を生き延びた

2022年1月15日、私たちは地球の下に潜む巨大な力を改めて思い知らされた。その日、トンガ本島のトンガタプ島から北に約40マイルの南太平洋にある海底火山、フンガ・トンガ・フンガ・ハアパイが激しく噴火した。2021年12月20日の最初の地鳴りの後、1月の噴火は最高潮に達し、巨大な水と灰の柱が空中に吹き上がり、地球の中間圏（大気の中間層）まで36マイル移動した。日本や南北アメリカにまで達する津波を引き起こし、海底ケーブルも切断され、トンガと世界の他の地域との通信が丸1か月間遮断された。

それからほぼ1年後、オックスフォード大学物理学部とRAL Spaceの研究者らは、今回の噴火が史上最大の火山噴煙をもたらしたことを確認する衛星画像に関する研究を発表しました。また、中間圏にまで達する噴煙が直接観測された初めての噴煙でもありました。研究結果は本日、サイエンス誌に掲載されました。

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「私は火山学というより気象学の出身で、この噴火が複数の気象衛星によって非常に鮮明に捉えられたという事実が、この研究を始めるきっかけとなりました」と筆頭著者で研究員のサイモン・プラウド氏はPopSciのインタビューで語っている。「主な動機は、これらの気象衛星が極端な現象を調査するのにどれほど役立つかというアイデアをテストすることでした。」

科学者は通常、赤外線衛星を使用して噴煙の頂上で記録された温度を取得し、それを垂直温度プロファイルと比較することで、噴煙の高さを推定できます。対流圏と呼ばれる地球の大気圏の最初で最下層では、高度とともに温度が低下します。ただし、噴火が噴​​煙を次の層 (成層圏) に押し上げるほど大きい場合は、高度とともに温度が再び上昇し始めるため、この方法はうまく機能しません。この上昇は、オゾン層が太陽からの紫外線を吸収するためです。

この問題を解決するために、プラウド氏とチームは視差効果と呼ばれる現象、つまり複数の視線から見たときに物体の位置が明らかに異なる現象に基づく方法を使用しました。これをテストする方法は、右目を閉じて、親指を立てた片手を差し出すことです。次に、左目を閉じて右目を開くと、親指がわずかに動いたように見えます。次に、この位置の明らかな変化を測定し、これを既知の簡単に測定できる両目の間の距離と組み合わせることで、親指までの距離を計算できます。

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「視差効果は、他の方法の制限を受けないため、この目的に非常に役立ちます。従来、噴煙がどのくらいの高さまで上昇したかを判断するには、噴煙の温度を使用しますが、これはさまざまな高度の大気温度に関する正確な知識に依存しており、大規模な噴火の際には不可能です！」とプラウド氏は言います。「視差効果には、さまざまな場所からの衛星画像が数枚あれば十分で、その他の情報は不要です。そのため、シンプルで正確です。」

3 機の静止気象衛星が火山の位置をカバーしているため、チームは撮影した航空写真を使用し、視差効果を適用しました。衛星は噴火中に 10 分ごとに画像を記録しました。この重要なデータにより、噴煙の軌道の急激な変化を記録することができました。

研究結果によると、噴煙は最高高度35マイルに達した。この噴煙は、これまでの記録保持者のうち、フィリピンのピナツボ山の1991年の噴火（高さ24マイル）とメキシコのエルチチョンの1982年の噴火（高さ19マイル）の2つよりも高い。

「もちろん、高さは驚きでした」とプラウド氏は言う。「また、高さの変化の仕方も驚きでした。高さの大きなピークがあり、10分後には下がり、その後にまた大きなピークがありました。高さがこれほど急速に大きく変化するのを見るのは本当に驚きでした。」

この噴煙は、火山噴火によって成層圏から地球上空およそ31～53マイルにある中間圏に直接物質が注入されたことを示す初の観測証拠でもある。

プラウド氏は、危険にさらされている人々に対して溶岩流や津波のよりよい警告や予測を提供するためには、これらの噴火を研究し続けることが不可欠であると強調した。また、この特定の噴火が気候モデル作成者にとって有用であるかどうかを研究することも重要だった。「噴火自体の気候への影響は非常に限定的ですが、大量の水、灰、その他の破片が大気圏に非常に高く噴出したという事実は、気候モデルがこれらの状況にどのように対処するか、影響を予測できるかどうかをテストするのに最適な方法です」と同氏は述べた。

研究チームの次の段階は、視差法を使って火山の噴煙の高さを計算できる自動システムを構築することだ。手作業による計算を完全に自動化することで、噴煙の測定プロセスがスピードアップするだろう。

プラウド氏にとって、一つ明らかなことは、この種の研究は真空中で行われるものではなく、成功するためには複数の異なる研究分野の専門知識が必要であるということです。

「今回の爆発が示している重要なことは、科学のさまざまな側面が今やいかに絡み合っているかということだと思います。学校では、物理学、化学、コンピューターは別々の科目であるとよく教えられます」と彼は付け加えます。「しかし、現在ではそれらはすべて非常に密接に結びついています。私たちの研究は、工学、物理学、数学、そして多くのコンピューターを結び付けています。」