火山喷发算不算物理现象 潜水式火山喷发(1)

作者:黄姤

白岛,又称怀特岛;

新西兰非常有名的私人旅游胜地,在天空鸟瞰整个小岛,你会发现其实它是一座活火山岛,活火山意味着它随时有可能喷发。

在一片湛蓝色的海洋上,白岛就像一只海龟浮游在海面上,这一座小岛极风景优美,吸引了一大批游客去游玩。

或许有人会有这样一个疑问:既然白岛是一座活火山岛,为什么会有人愿意过去游玩?

在过去的8年间,这座火山一共喷发了6次,规模都是属于小级别的。虽然这座火山岛处于活动中,但是它并没有什么风险。

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火山喷发类型

火山喷发,很多人脑海中的浮现出这样的一个场景:天昏地暗,大地震动,炽热的岩浆从火山口喷射而出,还有乌云,滚石,硫磺的味道四处散布,最让人记忆深刻的就是蜿蜒而下的滚烫火热的岩浆。

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岩浆其实是有区别的,从火山口或者裂缝涌出来流淌在地表上的叫做火山熔岩,而在火山内部的时候叫做岩浆。在很多人的印象当中,火山喷发的时候一定是伴有岩浆或者火山熔岩的,但是实际上有很多火山喷发是不会喷发岩浆的,因此根据这一点,可以把火山喷发分成两个不同的类型:

一种是会喷发岩浆的。

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另一种是不会喷发岩浆的,不带有岩浆的喷发叫做“潜水式喷发”,虽然岩浆被喷发出来,但是会有岩石碎块或者火山气体喷发出来。

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“潜水式喷发”这个词从词源上来讲,指的是液体内部的压力刚好处于临界为0的状态,学过热力学的人都清楚,这种状态就是过热的意思 ,所谓过热就是指液体虽然已经越过了它的沸点,但是并没有沸腾,暂时处于一个稳定的状态中。

举例说明:

水的沸点是100度,煮开水的时候水的温度到了100度,水就会沸腾,从物理学的角度来说就是:水的内部产生了蒸汽,小气泡从液体底部向上慢慢地上升,越往上压力就越小,气泡慢慢膨大,到达水面之后就破会裂并且释放出水蒸气,因此当水处于沸点的时候,它内部的蒸汽温度和水的温度都是100度。

但是在特殊的情况下,就算水的温度达到了100度以上,仍然是处于不沸腾的状态,水依然是处于一个非常平静的状态。当容器的表面非常光滑,就会造成水温度越过100度的沸点而并不沸腾的情况。

煮开水时,当水被加热时它的内部开始气化,在达到沸点之前水是不会沸腾的,这是由于外面大气压的压力将容器里面所有可能出现的气泡全部压住了,当到达沸点的时候,蒸汽获得的能量使它向外的力量刚好和大气压平衡,这样蒸汽就会挣脱大气压的束缚,从而表现出向外释放蒸汽的现象。

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水的另外一种力量

值得注意的是,水还拥有一种很微弱的力量,这个力量就是“表面张力”。

当你将一枚回型针放在水面上,你会看到回型针飘浮在水面上并不会下沉,这个支撑回型针不让它下沉的力就是“表面张力”。

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所有的液体表面都存在表面张力,所以当液体的内部和外面的大气压结合在一起时,表面张力与大气压共同抑制气泡的生成,这就是除了大气压力之外,抑制气泡生成的另一个因素就是表面张力这个额外的力量。

恰恰又是这个额外力量表面张力会让水能够越过沸点,继续向上提高温度,直到继续加热提升的能量可以将表面张力也一起被克服,这样水才能够沸腾。


为什么煮开水的时候不会出现过热这种情况

因为遇到了沸点。

我们日常生活中用来煮开水的容器表面并不是光滑的,即便是玻璃容器也达不到绝对光滑的标准,也就是说容器提供了足够丰富的成核机制。

举例说明:

一般的小朋友是很难将一个气球吹大的,因为小朋友的力气很小,所以想把气球撑开是很费劲的,如果大人将这个气球吹鼓起来之后再交给小朋友,这个时候小朋友就可以很轻松的把气球吹大。

气球内收缩的弹性力量就可以类比于表面张力,所以要克服表面张力,让整个水底的气泡膨胀,就需要有能量,这个能量在气泡越小的时候需要的越多,而气泡越大的时候需要的能量就越小,这是成反比例的关系。

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所以气泡在最初很小体积的时候,反而表面张力是很难克服的,这个时候就需要某种机制帮助微小气泡的形成。

在绝对均匀的液体和容器当中,气泡很难找到恰当的角落,形成它最初的泡核,也就是说没有合适的成核机制,因此就会很容易发生过热,这就是越过了沸点还没沸腾的现象。

但是在我们生活使用的容器当中,往往是粗糙不光滑的表面,这些表面里面可以容纳那些微小的泡核,一旦泡核被保存下来之后,就很容易发酵成大气泡。

所以生活当中煮开水是很难出现过热现象的,但是这并不代表我们生活当中一定看不到过热现象。

在使用微波炉的时候,假如你使用的容器非常的光滑,那是有可能出现过热的。这种情况下是很危险的。在微波炉当中用很高的温度来加热一杯牛奶,假如你没有调定时,忘记将这杯牛奶取出来,这杯牛奶就会一直在加热,这杯牛奶已经出现了过热。

由于杯子当中的牛奶内部的能量已经非常高,假如有轻微的晃动或扰动,这杯牛奶就有可能迅速喷发,形成猛烈的喷发热液。

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爆炸的那杯牛奶就是“潜水式火山喷发”的基本原理。实际上就是一个热液系统,也就是说无论是杯中的牛奶或是火山中的溶浆都已经处在过热的状态,能量非常高,处于高度不稳定状态中,一旦有轻微的扰动它的内部过热液体就会快速的把能量以气体的形式释放出来及射速非常的高,力道非常的强,这也是地震会引发火山喷发的原因。

“潜水式火山喷发”在这整个过程当中是没有岩浆喷发出来的,也就是说没有岩浆的参与,所以这是一个没有岩浆的火山爆发,而不是我们印象中带有岩浆的火山爆发。

假如真的是属于有岩浆爆发类型的话,那岩浆的存在反而会带来很多的地质活动,这有利于监测和火山喷发预警。

正是因为热液系统不具备这样的特点,所以我们虽然也能对它进行一定程度的监控,可是它的地质活动并不强烈,因此很难去真的准确地预测什么时候会喷发,就像微波炉里边的那杯过热的牛奶,很难准确地去判断它什么时候会溅射出来。

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