# 火山喷发物理模拟 - 喷发柱高度、VEI 火山爆发指数、岩浆黏度、火山弹弹道

> 由质量喷发率算喷发柱高度并判定 VEI，比较岩浆黏度与含水量，演示气泡生长和破碎，模拟带空气阻力的火山弹弹道、熔岩流速和火山降温。

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从喷发柱、岩浆和地表三个尺度理解火山：用 Mastin 经验式和 MTT 浮力羽流理论由质量喷发率算柱高，结合持续时间估算喷出量和 VEI，并和皮纳图博、坦博拉、洪阿汤加等历史喷发对照；改变 SiO₂、温度和含水量，看黏度怎样变化、气泡在上升中如何长大直到岩浆被炸碎，从而理解为什么有的火山爆炸、有的只是流出熔岩。还能模拟火山弹弹道、熔岩在斜坡上的流速和硫酸盐气溶胶造成的全球降温。

## 使用步骤

1. 在“喷发柱与 VEI”拖动质量喷发率和持续时间，或点历史喷发，查看柱高、喷出量和 VEI，并设置 SO₂ 看降温
2. 在“岩浆黏度与气泡”改变 SiO₂、温度、含水量和上升速度，观察通道动画中的气泡生长、破碎深度和喷发方式判断
3. 在“火山弹弹道”设定出射速度、角度和大小，比较有无空气阻力的射程和危险半径
4. 在“熔岩流”设定厚度、坡度和黏度，按 Jeffreys 公式算流速

## 功能特点

- Mastin 2009 柱高经验式与 Morton–Taylor–Turner 浮力羽流对照，标出 7 次历史喷发
- VEI 分级表与喷出量对数条形图
- 流纹岩到玄武岩的黏度模型（含水量影响），√P 溶解度、气体体积分数与 75% 破碎阈值
- 岩浆通道动画：饱和深度、气泡长大、破碎层和喷发柱或熔岩流
- RK4 积分的火山弹弹道（随高度变化的空气密度），不同大小的危险半径
- Jeffreys 熔岩流速、雷诺数，以及单箱能量平衡的火山降温粗估

## 常见问题

### 为什么有的火山猛烈爆炸，有的只是流出熔岩？

关键是气体能不能在岩浆上升途中逃掉。岩浆在深处溶有几个百分点的水，上升减压后水按溶解度 ∝ √P 析出成气泡并迅速膨胀。玄武岩黏度低（约 10²–10³ Pa·s），气泡能合并上浮逃逸，于是形成熔岩喷泉和熔岩流；富硅的流纹岩、英安岩黏度可高出百万倍，气泡被锁住，气体体积分数涨到约 75% 时岩浆被撕碎成火山灰，高速喷出形成普林尼式喷发柱。上升越快、含水越多，越容易爆炸。

### VEI 火山爆发指数是怎么定的？

VEI 主要按喷出物体积划分：0 级小于 10⁴ m³，1 级 10⁴ m³ 起，2 级 10⁶ m³ 起，3 级 10⁷ m³ 起，此后每级体积增大 10 倍，4 级约 0.1 km³，5 级 1 km³，6 级 10 km³，7 级 100 km³，8 级超过 1000 km³。喷发柱高度作为辅助指标。例如 1980 年圣海伦斯约为 5 级，1991 年皮纳图博为 6 级，1815 年坦博拉为 7 级，是近代最大的喷发。

### 喷发柱高度和喷发速率有什么关系？

喷发柱靠热空气浮力上升，理论上高度与热通量的四分之一次方成正比（Morton–Taylor–Turner 羽流理论）。Mastin 等 2009 年拟合大量观测得到 H ≈ 2.0·V^0.241（km，V 为每秒喷出的致密岩石体积）。所以喷发率增大 10 倍，柱高只增加约 1.7 倍；要把火山灰送到 30 km 以上的平流层，需要每秒上亿千克的喷发率。

### 火山喷发为什么会让全球降温？

大型爆炸喷发把二氧化硫送进平流层，几周内转化成硫酸盐气溶胶，它们把部分阳光反射回太空，可在平流层停留一两年。1991 年皮纳图博约 1700 万吨 SO₂ 让全球平均气温下降约 0.5 °C；1815 年坦博拉导致 1816 年成为“无夏之年”。如果喷发柱没有冲出对流层，硫酸盐几天就被雨水冲掉，降温效果很小。本工具的降温估算只是单箱能量平衡粗估。

### 火山弹能飞多远？

取决于出射速度、角度和大小。火口速度通常为每秒一两百米到四五百米。真空中射程为 v²/g，200 m/s 就能飞约 4 km，但空气阻力会明显缩短射程：阻力与截面积成正比、重量与体积成正比，所以大块的阻力相对小，飞得更接近抛物线，小碎屑则很快减速。火山周边的禁区一般按最大弹道射程再加安全余量划定。

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