2022年1月15日，南太平洋的Hunga Tonga-Hunga Ha'apai火山爆发，全世界都能感受到冲击波，并在汤加、斐济、新西兰、日本、智利、秘鲁和美国引发了海啸。根据哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)和马里兰大学最近发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的一项研究，火山爆发后一年，平流层的化学和动力学也发生了变化，导致南半球大片地区的臭氧层损失前所未有，高达7%。
根据这项研究，推动这些大气变化的是海底火山注入平流层的大量水蒸气。平流层的位置大约在地球表面以上8 - 30英里处，是保护臭氧层的地方。
SEAS的项目科学家、该论文的第一作者大卫·威尔茅斯(David Wilmouth)说:“Hunga Tonga-Hunga Ha'apai火山喷发确实非同寻常，它向通常干燥的平流层注入了大约3000亿磅的水，这绝对是一次事件产生的令人难以置信的水量。”
“这次喷发把我们带入了一个未知的领域，”马里兰大学地球系统科学跨学科中心教授、该研究的合著者罗斯·萨拉维奇说。“在卫星记录的历史上，我们从未见过如此多的水蒸气注入大气，我们的论文是第一个利用卫星数据和全球模型研究火山爆发后几个月里对两个半球广大地区的下游影响的论文。”
Hunga Tonga-Hunga Ha'apai火山喷发是有记录以来最大的一次大气喷发。火山喷发将气溶胶和气体抛入平流层深处。一些物质到达了距离地球表面30多英里的较低的中间层，这个高度从未有火山喷发的记录。先前的研究发现，火山喷发使全球平流层的水蒸气增加了10%，南半球某些地区的水蒸气浓度甚至更高。
威尔茅斯、萨拉维奇和研究小组的其他成员利用美国宇航局Aura卫星上的微波探测仪(MLS)的数据，不仅追踪了水蒸气在全球范围内的移动情况，还监测了火山爆发后一年内平流层中一氯(ClO)、臭氧(O3)、硝酸(HNO3)和氯化氢(HCl)的温度和水平。然后，他们将这些测量结果与火山爆发前2005年至2021年MLS收集的数据进行了比较。
研究小组发现，水蒸气和二氧化硫(SO2)的注入改变了平流层的化学和动力学。
在化学方面，二氧化硫导致硫酸盐气溶胶的增加，为化学反应的发生提供了新的表面。
威尔茅斯说:“有些反应可能根本不会发生，或者只会缓慢发生，但如果有气溶胶可以让这些反应发生，它们就会发生得更快。”“火山注入的二氧化硫使硫酸盐气溶胶形成，水蒸气的存在导致了硫酸盐气溶胶的额外产生。”
硫酸盐气溶胶和水蒸气的增加在复杂的大气化学中引发了一系列事件，导致包括臭氧在内的许多化合物浓度的广泛变化。
额外的水蒸气还对平流层产生冷却作用，导致环流变化，导致南半球臭氧减少，热带地区臭氧增加。
研究人员发现，臭氧减少的峰值出现在10月份，也就是火山喷发后的9个月。
威尔茅斯说:“平流层中水蒸气的大量增加，硫酸盐的适度增加引发了一系列事件，导致温度和循环、ClO、HNO3、HCl、O3和其他气体的显著变化。”
接下来，研究人员希望继续研究火山的影响，直到2023年及以后，因为水蒸气从热带和中纬度地区转移到南半球极点，在那里它有可能扩大南极的臭氧损失。预计水汽将在平流层中停留数年。
这项研究是由海洋大学大气化学Philip S. Weld教授James Anderson、Freja ?sterstr?m和Jessica Smith共同撰写的。本研究得到了美国国家航空航天局(NASA)拨款号80NSSC19K0326和美国国家科学基金会拨款号1764171的部分支持。
