在阿拉斯加湾边缘，被宁静的荒野环绕着，北美最活跃的火山正定期地积蓄着爆发的能量。帕夫洛夫火山在短短 200 多年里已经喷发了 40 次，将数吨的火山灰和大众汽车大小的炽热碎片抛向天空。与许多活跃的火山不同，这座火山对任何人来说威胁都不大。最近的城镇，King Cove 和 Cold Bay，距离 30 多英里，人口加起来不到 1000 人。尽管如此，帕夫洛夫火山是世界上研究最多的火山之一，因为它躁动的隆隆声为地质学家提供了一个很好的实验室，帮助他们了解如何预测其他火山何时可能造成死亡。
史蒂夫·麦克纳特（Steve McNutt）是阿拉斯加大学一位少年气十足、留着胡子的火山学家，他二十多年来一直参与着对帕夫洛夫火山的监测。在他开始观察的早期，麦克纳特注意到这座火山的喷发遵循着一个令人惊讶的规律模式。活跃期似乎总是在秋季或冬季发生。自 1973 年以来，16 次喷发中有 12 次发生在秋季——其中四次发生在 11 月的同一五天周期内。帕夫洛夫火山最近一次喷发是在 1996 年，始于 9 月，高峰在 12 月。为了确保这些观察不是巧合，麦克纳特对该火山已知的历史进行了标准的统计检验。“这绝对不是随机的：帕夫洛夫火山并非每年秋季都会喷发，但当它喷发时，它往往会在秋季喷发，”他说。这种倾向暗示着一个奇怪的、以前未知的、构建在我们星球中的规律。也许火山喷发，就像飓风和流感爆发一样，更容易在一年中的特定时间发生。或许存在一个火山季。
英国剑桥大学的研究人员最近在研究太平洋彼岸 3000 英里外另一座火山的喷发模式时，也有类似的顿悟。当时还是地质科学本科生的本·梅森（Ben Mason）在研究日本最活跃的火山之一樱岛火山的数据时，注意到该火山在 12 月、1 月和 2 月有强烈的喷发倾向。梅森想知道这是否是一种普遍模式的一部分，于是调查了史密森尼学会庞大的全球目录，其中包含过去 10,000 年来记录的 8000 多次火山喷发。他专注于自 18 世纪初以来喷发过 20 次或更多次的火山，并确定了 35 座火山，占了 1200 多次喷发。梅森发现，这些高度活跃的地点中有许多在冬季月份活动有所增加。“我被明显的季节信号所震撼。许多火山似乎明显偏好北半球冬季的喷发，”他说。
梅森在剑桥的毕业导师、火山学家大卫·派尔（David Pyle）对此很感兴趣，但持怀疑态度。一个多世纪以来，科学家们一直在寻找火山喷发的规律——任何能让地球喷发更容易预测的线索。仅在过去 500 年里，火山就夺走了 200,000 多人的生命。1902 年，皮利山（Mount Pelée）将过热的气体和火山灰倾泻到马提尼克岛的圣皮埃尔市，瞬间掩埋了整个城镇，造成近 30,000 人死亡。随着越来越多的人选择住在靠近火山的地方——例如意大利西西里岛的埃特纳火山（Etna）和西雅图郊外的雷尼尔山（Mount Rainier）——预测火山喷发变得至关重要。但火山，就像地震一样，非常难以预测：没有人确切知道是什么触发了地壳内部缓慢的移动突然引发灾难性的爆发。
地质学家们之前曾发现过隐藏季节性规律的诱人迹象，但仔细检查后证据却烟消云散。例如，近年来一些最具毁灭性的喷发发生在北半球的春季或夏季。1980 年 5 月 18 日，圣海伦斯火山（Mount St. Helens）爆发；1991 年 6 月 15 日，皮纳图博火山（Mount Pinatubo）向菲律宾喷出巨大的火山灰云；1883 年 8 月 26 日，印度尼西亚的喀拉喀托火山（Krakatau）爆发，引发了造成 36,000 多人死亡的海啸。然而，试图寻找火山在夏季更活跃的普遍倾向却失败了。理查德·斯托瑟斯（Richard Stothers），纽约市美国国家航空航天局（NASA）戈达德太空研究所的地质学家，在 20 世纪 80 年代末，也就是史密森尼学会发布其第一个版本的火山喷发主目录几年后，雄心勃勃地寻找火山季。和之前的人一样，他一无所获。当时，史密森尼学会的数据库包含 5,564 次喷发。斯托瑟斯分析了 1500 年至 1980 年间发生的 501 次最猛烈的爆发。他没有发现任何统计学上显著的模式。大多数统计学家不信任结果，除非它们达到 99% 的置信水平。即使斯托瑟斯试图将标准降至 95%，喷发似乎也散布在日历的各个日期。
现在，大学生梅森告诉派尔，斯托瑟斯等人错过了一些非同寻常的东西：一个发生在冬季而不是夏季的火山季。许多著名的喷发似乎符合梅森的季节模式，包括 1982 年 3 月墨西哥奇孔火山（El Chichón）的爆发和 2000 年 12 月墨西哥波波卡特佩特火山（Popocatépetl）的喷发。派尔开始与梅森合作，重走斯托瑟斯的路线，这次使用更新的数据。他们获得了史密森尼学会最新的火山喷发目录，并在剑桥 BP 研究所数学家蒂姆·朱普（Tim Jupp）的帮助下，对整个数据集进行了严格的统计分析。这次，结果令人兴奋。梅森和派尔发现，在北半球的冬季月份，即 12 月至 3 月，喷发率比平均水平高出 18%，这一结果具有 99% 的置信度。
为什么斯托瑟斯十多年前进行分析时没有看到这个高峰？更新后的史密森尼学会目录比斯托瑟斯研究的版本多了数千次喷发。此外，剑桥团队研究了所有规模的喷发事件，而斯托瑟斯则将其搜索范围限制在主要喷发。“以前没有人能证明它是统计学上显著的，”斯托瑟斯说。“现在他们做到了。我当然对他们的结果感到满意。”
然而，梅森和派尔对结果感到担忧，因为他们无法理解。一些日本地质学家曾提出，冬季大雪产生的压力会导致火山喷发。这种机制可能解释了一些冬季喷发。但剑桥的研究人员问道，是什么因素导致南北半球的火山在 12 月至 3 月之间喷发，那时阿拉斯加寒冷，而智利炎热？
麦克纳特相信，通过他对帕夫洛夫火山喷发数据的 painstaking 分析，将能更好地理解全球喷发模式。“这座火山之所以表现异常，是有原因的，”他说。“我们需要找出原因，因为它可能与导致其他火山在特定时间喷发的控制因素有关。”事实上，麦克纳特认为他已经找到了触发因素：季节性天气。秋季，强大的低压系统从西向东横扫阿留申群岛。当低压系统进入阿拉斯加湾上空时，作用在海水上的空气压力减小，当地海平面随之上升。与此同时，空气总是从高压区流向低压区。当高压系统在太平洋上空稳定下来时，强风将空气推向阿拉斯加湾的低压区，带入更多的水。“净效应是，海水被推向阿拉斯加湾，无处可逃，所以它堆积起来，”麦克纳特说。因此，此时海平面比平均水平高出六英寸。麦克纳特推测，额外水量的重量触发了秋季和冬季的喷发：“根据我们的计算，它挤压了火山下方的地块，并像挤压牙膏管一样将岩浆挤出。”
额外的六英寸水可能看起来微不足道，尤其与阿拉斯加湾每日高达六英尺的潮汐相比。但额外压力的施加方式可能带来显著差异。帕夫洛夫火山下方的炽热岩石在某种程度上类似于橡皮泥。当它被缓慢地拉开时，它会像太妃糖一样伸展。然而，当它被快速地拉开时，它会变得易碎并断裂。同样，帕夫洛夫火山下方的物质在受到日常潮汐产生的强烈、快速力量时表现得像固体，但在季节性低压系统导致海平面缓慢上升的情况下，它会逐渐移动。麦克纳特说：“我们想象它就像一个由实心岩石组成的框架，其中有一些孔隙或通道，里面充满了熔岩。”“在短时间内，你猛击它，它就像实心岩石一样。长时间施加缓慢稳定的压力，岩浆就开始流动。”如果这个过程确实能触发喷发，那么类似的季节性现象也应该会影响世界各地其他沿海火山。这种影响很微妙，最初麦克纳特也没有注意到。然后，经过几年的搜索，他找到了另外三座倾向于在秋季和冬季早期喷发的火山：日本的大岛（øOshima）和三宅岛（Miyake-jima），以及智利的 Villarrica。他怀疑类似于作用在帕夫洛夫火山上的力量也在操纵着其他火山。
麦克纳特专注于特定火山，而剑桥团队则在寻找能够驱动全球火山季的机制。最初他们怀疑是太阳和月亮引力造成的潮汐，但他们找不到潮汐与喷发之间的良好相关性。与另一位剑桥地质学家布莱恩·戴德（Brian Dade）合作，梅森及其同事独立地开始怀疑触发因素与大规模的季节性水体运动——地球的水循环——有关。由于北半球中高纬度地区的陆地面积明显大于南半球，因此我们星球的北部一半降雪量要大得多。结果，在 11 月至 2 月之间，地球上锁在雪和冰中的水量比一年中的其他时间多。在这些月份，全球海平面下降了近半英寸，向下推压海底的重量减轻。“我们认为由此产生的应力变化可能能够触发喷发。大多数火山位于大陆边缘附近或为岛屿，因此会特别容易受到影响，”梅森说。
乍一看，梅森的解释似乎与麦克纳特的主张相矛盾，因为它涉及火山底部压力的减少而非增加。然而，真正重要的是，两个团队都发现火山对缓慢、微妙的压力变化做出反应。总而言之，结果表明，任何长期的压力变化——无论是减轻还是加重——都可能成为喷发的触发因素。随着研究的进展，剑桥的研究人员担心他们的同事会如何回应他们的消息。然后，内华达大学的地质物理学家杰弗里·布鲁威特（Geoffrey Blewitt）及其同事在《科学》杂志上发表的研究表明，地球的形状会随着年份周期而变化。随着冬季北半球积雪、结冰和雨水的堆积，北极会向下压 0.1 英寸。同时，赤道会膨胀一半，整个南半球会被拉向北方。总共有约一万亿吨的地球质量向北移动。“应变非常小，远小于局部规模的其他类型应变，例如潮汐的影响，但季节性应变会持续数月，”布鲁威特说。他的论文似乎支持了梅森和派尔关于地球水循环能够改变地球形状并可能促使不稳定的火山喷发的猜测。
纽约大学的迈克尔·兰皮诺（Michael Rampino）研究过许多大型火山喷发，他认为梅森的推理很有趣，但缺乏说服力。“如果有些火山只是在那里等着喷发，那么微小的应力变化就足够了。关键在于由此产生的微小应力变化是否足以触发火山活动。这就是症结所在，因为没有人确切知道触发火山活动的条件，”兰皮诺说。另一方面，他自己的研究中也发现了一些表明海平面变化可能是罪魁祸首的迹象。他发现，过去 85,000 年来一些最大的喷发都发生在气候剧烈变化和随之而来的海平面波动之后。例如，1883 年喀拉喀托火山的传奇性喷发发生在全球气温下降十年之后，1912 年阿拉斯加卡特迈火山（Mount Katmai）的巨大喷发也是如此。
如果梅森和派尔的说法是正确的，即海平面下降的微小重量会使一些火山更容易在冬季喷发，那么更大的海平面变化可能会导致一些火山出现季节性喷发。这可能是将帕夫洛夫火山的喷发与世界其他地区不那么明显的火山季联系起来的共同点。“这有助于解释为什么帕夫洛夫火山如此极端，”麦克纳特说。“它旁边有一个非常大的海平面信号。”
“我们认为这对长期火山喷发预测是一个重要的发现，”梅森说。火山季是一种广泛的统计效应，本身不太可能用于具体的预测。但季节性模式的发现表明，火山可能受到比科学家之前认为的更微妙因素的影响。“过去，人们忽视了微小的信号。认为微小的应力可以调节火山的想法并不直观。但如果你能证明许多火山以这种方式运作，你就不得不接受我们没有注意到的微小应力可能正在影响火山，”麦克纳特说。这种认识可能迫使研究人员重新思考他们关于火山喷发如何开始的模型。它还可以帮助解释夏威夷基拉韦厄火山（Kilauea）等多产火山难以捉摸的行为，这些火山一直未能揭示出触发因素。
一些活跃或高风险的火山——包括帕夫洛夫火山、皮纳图博火山和波波卡特佩特火山——已经配备了地震仪或 GPS 传感器，但监测这些网络的地震学家主要关注的是大型、短暂的信号。其他火山受到的关注甚至更少。“我们一直在仔细审视图像的一部分，而忽略了其他部分，”麦克纳特说。那些容易被忽视的微小变化，可能正是引领科学家们更深入理解这些山脉内部“瓶装火焰”的关键。
