火山與航空安全

梁毅強 許建東 于紅梅

火山噴發產生的災害包括火山碎屑流、火山熔巖流、火山碎屑空降、火山泥石流，以及火山噴發引起的滑坡、地震、海嘯等。其中，火山碎屑空降是最普遍、最頻繁的一種火山災害，是火山災害中占主導地位的災害類型，特別是火山灰對航空的影響最大。

火山碎屑空降災害

當火山發生爆炸式噴發時，巖漿或巖石被炸成碎片，大塊的火山碎屑（一般大于64mm）以彈道式從火口拋射出，會產生強大的沖擊力。相對小的火山碎屑（2～64mm）被噴向空中產生一個噴發柱，在風和重力影響下降落到地面，會對建筑物、交通、水資源、電力供應、通信設備、農業等造成嚴重破壞，既是火山灰厚度只有幾毫米，也可能造成潛在的重大社會影響（圖1）。

最小的火山碎屑即火山灰（＜2mm）很容易在噴發柱內部向上對流，達到平流層，在很長一段時間內順風前進，這些火山灰可能會影響數百甚至數千平方千米的社區和農田。例如，1815年印度尼西亞的坦博拉（Tambora）火山爆發的火山灰沉積，導致幾個島嶼上的大米和玉米嚴重歉收，使得大約80000人陷于饑荒。火山灰還會導致飛機發動機引擎損壞，成為航空的主要危害。2010年4月14日冰島艾雅法拉（Eyjafjallaj?kull）火山突然噴發，雖然噴發的規模不大，但由于氣流和天氣原因，飄散的火山灰致使歐洲空中交通癱瘓了數日。此外，人類和動物一旦吸入細火山灰，就會對他們的健康造成影響；這些細小的火山灰顆粒甚至可能會引起氣候的變化。例如， 1991年6月15日菲律賓皮納圖博（Pinatubo）火山噴發，導致兩年內全球平均溫度下降1℃。

圖1 2014年2月14日，火山灰在克魯德山火山以西約150公里（93英里）處覆蓋了一架飛機和Solo機場

火山灰對航空飛行的影響

火山在強烈爆炸性噴發的情況下，火山灰的高度可高達數十千米，最小顆粒的火山灰（粒徑為1～15微米）可以形成火山灰云，在大氣中可停留持續數天。當火山灰云上升到對流層或平流層，將會隨風漂移，甚至漂移很遠的距離。圖2是2010年4月14日冰島艾雅法拉火山噴發的火山灰擴散分布圖，顯示了每6小時的變化情況。從圖中可以看出，火山灰擴散范圍越來越大，高度也在不斷上升。

1989年12月5日就發生了1例航空安全事件，一架由阿姆斯特丹飛往東京的荷蘭皇家航空B747-400客機，在阿拉斯加空域進入里道特火山（Mount Redoubt）爆發后的火山灰云，4臺發動機全部熄火，飛行高度從8534米急速下降到4267米，所幸在下降過程中發動機成功重新起動，最后安全降落在安克雷奇國際機場，無人傷亡。盡管目前還沒有因火山灰造成的傷亡事故報告，潛在的危險不容小覷。

據統計，自20世紀80年代以來，全世界約發生了100起與火山活動相關的事件。火山灰可能損壞飛機發動機，導致速度指示表等各種儀器失靈而產生錯誤警示，引起發電機和電子元件變形，遮擋飛機擋風玻璃，腐蝕飛機機體，有毒氣體影響飛行員健康，嚴重危及航空安全（圖3）。另外，火山灰會污染航空器通風和增壓系統，磨損轉動部件，腐蝕航空器外部組件和設備，影響機場跑道制動效果，嚴重影響航空器的可靠性，也大大增加航空運維費用。

發動機受損的主要原因是飛機在通過火山灰污染的空域時，發動機會吸入細小的火山灰，火山灰的主要成分是硅酸鹽，其熔點約1100℃，而發動機正常運行的溫度為1400℃，所以吸入的火山灰會被融化成氣體，而后又在噴嘴導向葉片、渦輪葉片上冷卻成火山灰顆粒，并附著在葉片上，導致發動機空中停車（圖4）。

國際火山灰咨詢機制

圖2 冰島艾雅法拉火山噴發火山灰擴散分布圖（引自英國氣象局）〔注：紅色區域為20000英尺高度的火山灰擴散范圍，綠色區域為20000英尺-35000英尺的范圍，藍色區域為35000英尺-55000英尺的范圍，FL（FlightLevel）為飛行高度，單位是100英尺（1英尺=0.3048米），FL200為飛行高度為20000英尺，約為6096米〕

圖3 火山灰影響航空安全示意圖

鑒于火山灰危害的嚴重性，為了使航空器避開火山灰云的影響，國際民航組織（ICAO）與世界氣象組織（WMO）合作，于1993年啟動了國際航線火山灰監測（IAVW） 項目。此后，國際民航組織和世界氣象組織規定，個別地區的氣象監視臺應像在惡劣氣象條件下發布重要氣象情報（SIGMET）一樣，發布有關火山灰云的報告，并且為此成立了火山灰咨詢中心（VAAC）。火山灰咨詢中心是專門負責協調和發布有關可能危及航空安全的大氣火山灰云信息的專家組織，其任務是在指定的空域內監測火山灰云的位置和運動信息。目前世界各地共有9個火山灰咨詢中心，它們分別設在日本東京、美國華盛頓、美國安克雷奇、澳大利亞達爾文、新西蘭惠靈頓、加拿大蒙特利爾、英國倫敦、法國圖盧茲和阿根廷布宜諾斯艾利斯，每個中心有明確的責任區域（圖5）。

圖4 火山灰嚴重損壞飛機發動機

VAAC服務項目包括收集火山噴發情報、火山活動情報和觀測到的火山灰云情報，以及火山灰運移和擴散（VATD）的計算機模擬結果，為有關氣象監測臺發布火山灰云報告提供情報和數據分析。各個VAAC作為其所在國家的天氣預報組織的一部分運行，例如華盛頓火山灰咨詢中心隸屬美國國家海洋和大氣管理局（NOAA），倫敦火山灰咨詢中心隸屬英國氣象局。這些中心在日常運行中要與相鄰的VAAC、區域內和附近的飛行控制中心以及氣象臺進行溝通協調。

圖5 覆蓋全球的九個VAAC（圖中陰影區域為VAAC未覆蓋的區域，引自維基百科）

除俄羅斯北部、北極地區，南太平洋和南極的一部分區域未覆蓋（詳見圖6的陰影區域），VAAC的責任范圍覆蓋了世界大部分地區。VAAC涵蓋的區域由坐標或航班信息區域（FIR）設定，這些區域是國際公認的國際民航組織IAVW計劃的一部分，每個負責的區域都在IAVW手冊中列出。

當檢測到火山灰云時，VAAC將收集所有可用信息，預測不同飛行高度的灰云路徑，按照IAVW程序手冊中的規定向航空和氣象辦公室發出警報。警報以火山灰咨詢報告的形式發布，包括火山的名稱、火山所在的國家、位置和火山口高度，信息來源（如來自衛星或飛行員觀察），火山噴發的詳細信息（包括世界標準時間UTC和火山爆發的日期），火山灰的詳細信息（包括飛行高度和大小），火山灰云當前運動的詳細信息，和此后6小時、12小時和18小時火山灰運動的預測信息，并在相應時間節點提供新的咨詢報告。目前VAAC和歐洲氣象衛星應用組織（EUMETSAT）針對全球主要火山噴發事件提供基于衛星影像的全球火山灰云分布圖，為客觀評價大氣中火山灰云的遷移變化提供了參考依據。

火山風險警報分級

世界各地的火山風險警報級別各不相同。除航空顏色代碼外，目前還沒有標準化的國際火山風險警報級別系統。這是因為各個火山的特點和監測能力差異很大，而且不同國家的語言和顏色或警戒級別的象征也不同。世界火山觀測組織（WOVO）建議：對自然災害感興趣的組織不要采信非火山觀測站的業余團體的信息來發布火山風險警報或火山爆發“預報”，因為發布風險警報級別可能會產生重大的公共安全事件和經濟影響，最好由最熟悉其火山活動的區域火山觀測站的工作人員進行評估。對于希望獲得當前火山活動報道準實時概況的人，WOVO推薦參考史密森學會（GVP）和美國地質調查局編制的每周火山活動報告。GVP還提供長期火山活動月度摘要和世界火山及其爆發歷史目錄。

為幫助飛機避開火山灰，國際航空火山觀察組織開發了一套通用的航空火山警戒級別系統，這是由聯合國專家機構國際民用航空組織協調的全球預警系統。該系統采用四種顏色代碼（表1）。這個通用的系統特別適合于航空部門，因為飛行員、調度員和空中交通管制員在全球范圍內規劃或執行航班時，需要迅速確定多個國家的眾多火山的狀況，并確定是否需要繼續關注、重新安排路線或增加額外的燃油。這些顏色代碼反映了火山或火山附近的情況，但不適用于火山灰在順風方向造成的危害，因為所有可識別的火山灰云都是極度危險的，都應該避開飛行。而且必須指出，航空彩色代碼不能代表地面上的危險，因為這可能是完全不同的。

表1 國際民用航空組織推薦的航空顏色代碼（引自WOVO）

國際民航組織還在考慮使用新的結構化信息，以清晰、簡潔和易于使用的格式，將危險信息從火山觀測站傳遞給空中交通管制員、調度員、飛行員和航空氣象學家。目前，已經開發出了一種消息格式模板，稱為火山觀測站航空通告（VONA），其結構化格式旨在幫助那些辦事處的非火山學家也能更容易理解和使用火山信息。當某火山的航空色碼發生變化（上升或下降）時，或者當火山噴發事件或其他火山活動發生重大變化時，火山觀測站可以發出航空通告。火山觀測站將VONA發送（傳真或電子郵件）到相關的區域控制中心、氣象觀察辦公室和火山灰咨詢中心。

火山灰災害減災策略

如何有效地預防和減輕火山灰對人類和生存環境的危害是政府官員和火山學家們面臨的一項重要課題。從減災策略的角度，大致可以分為科學技術類和社會工程類。

科學技術類專注于強化對火山灰空降模型的研究。與其他火山災害相比，火山灰空降的影響因素更為復雜化和多元化，其災害程度受噴發源距離、火山灰擴散方向、火山灰沉積厚度、火山灰物理和化學性質、氣候環境特征等影響。從目前的研究進展來看，火山灰空降模型可以分為兩個主要類型：顆粒跟蹤模型和平流擴散模型。顆粒跟蹤模型為歐拉和拉格朗日模型，如CANERM模型、MEDIA模型、PUFF模型和VAFTD模型等，這些模型在一定的時間和空間內，能預測火山灰云的位置，主要應用到航空安全上。平流擴散模型為歐拉模型，例如ASHFALL模型、Conner 2001模型、HAZMAP模型、TEPHRA 和TEPHRA2模型等，它能描述顆粒擴散、傳播和沉積方程的解，能夠預測火山噴發后火山灰在地面上任意一點上的沉積量。這些模型主要用于火山所在地安全性的預測。在此基礎上，可以及時對火山灰的擴散趨勢及相關地區的安全性做出動態評估，及時為政府和公眾提供有效的產品和信息，例如給出警報和減災措施建議。

社會工程類聚焦于人類的社會行為。火山噴發前，政府機構可以組織火山附近的居民有條不紊地撤離，發出旅游警告，提醒旅游者避免前往火山所在地區，并做好噴發期間的各項應急準備；火山噴發期間，火山觀測和專業咨詢機構產出的產品和信息（如火山灰擴散預測圖、火山觀測站航空通告等）可以讓火山灰擴散涉及地區的居民提前做好應對準備，減少財產損失，保護人身安全，相關航空公司可以據此修改或者停運火山灰擴散區域涉及的航路。在火山平靜期間，火山附近的居民、地方官員和旅游者可以開展有關火山和火山災害方面的科普教育，廣泛宣傳防災自救知識，盡可能地掌握一些簡易的自救方法并購置有效的自救工具。只有兩類策略綜合運用，才能最大限度地降低火山災害損失。

結束語

火山灰對自然環境和人類社會各種活動影響巨大。目前，人類已就火山灰對氣候、農業、交通、建筑物、水資源、電力供應、通信設備等方面的影響開展了較為廣泛而深入的研究，形成了一系列的應對防范和開發利用的措施。但是人類面對自然界的力量仍然顯得微不足道，總體上仍處于被動防范和防御的地位。今后要想實現人類和火山的和諧相處，仍然需要付出艱苦的努力，比如不斷探索研究火山的成因，加強監測預警技術，強化各種應對措施和應急準備等。隨著現代科學技術的快速發展，相信這一天將會很快到來。