巖石圈-海洋-大氣圈層-近地空間耦合是當(dāng)前日地空間物理研究的前沿科學(xué)問題。發(fā)生于2022年1月15日劇烈的湯加火山爆發(fā)，不僅激發(fā)了傳遍全球的大氣和電離層擾動，同時也引發(fā)了區(qū)域廣泛的海嘯，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中高層大氣和電離層研究室的李欽增副研究員和徐寄遙研究員等人利用子午工程氣輝臺網(wǎng)的觀測，與新西蘭科學(xué)院地質(zhì)核物理研究所以及美國國家大氣中心科學(xué)家合作，對此次火山爆發(fā)引發(fā)的海洋-大氣各圈層耦合進(jìn)行了深入的觀測研究。

通過氣輝臺網(wǎng)，共計觀測到傳播距離接近10000公里的兩類波動，一類是表現(xiàn)為大氣聲波模式的Lamb wave，該類波動已被廣泛報道。該項(xiàng)研究的重要發(fā)現(xiàn)是我們通過氣輝臺網(wǎng)觀測到另一類大范圍長距離傳播的大氣重力波模式。研究發(fā)現(xiàn)，氣輝臺網(wǎng)觀測到的大氣重力波是由湯加火山導(dǎo)致的大范圍海嘯與大氣相互作用引發(fā)的。湯加火山噴發(fā)引發(fā)了兩種類型的海嘯，一種是有大氣壓力波引發(fā)的快速傳播的海嘯，速度接近聲速，另一種是火山噴發(fā)自身引發(fā)的海面位移產(chǎn)生的海嘯，這兩種海洋波動都會產(chǎn)生中高層大氣的重力波。圖1給出了湯加火山爆發(fā)引發(fā)的兩種海嘯的模擬結(jié)果。通過射線追蹤對氣輝觀測到重力波的溯源（圖2），進(jìn)一步驗(yàn)證了湯加火山引發(fā)的海嘯是大氣重力波的激發(fā)源，同時也發(fā)現(xiàn)其水平尺度與海嘯尺度較一致。研究還證實(shí)了厘米級的海嘯擾動，可以在90km高度產(chǎn)生強(qiáng)烈振幅的重力波。

圖1. 模擬的湯加火山引發(fā)的兩種海嘯。左圖：大氣壓力波激發(fā)的海嘯，右圖：湯加火山噴發(fā)直接引發(fā)的海嘯。

圖2. 射線追蹤對氣輝觀測到重力波的溯源。左圖：氣輝觀測到的中高層大氣波動，右圖：臨近我國沿海的海洋波動。

該項(xiàng)工作給出了火山噴發(fā)通過海-氣相互作用可以引起中高層大氣大范圍長距離傳播的波動，對于巖石圈-海洋-大氣相互耦合機(jī)制的研究以及海洋-大氣耦合物理模式的建立具有重要意義。該研究成果于近期發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Atmospheric Chemistry and Physics上。

文章鏈接:

Li, Q., Xu, J., Gusman, A. R., Liu, H., Yuan, W., Liu, W., Zhu, Y., and Liu, X.: Upper-atmosphere responses to the 2022 Hunga Tonga–Hunga Ha′apai volcanic eruption via acoustic gravity waves and air–sea interaction, Atmos. Chem. Phys., 24, 8343–8361, https://doi.org/10.5194/acp-24-8343-2024, 2024.

（供稿：天氣室）