地球科學

仰火山之鼻息

「量子級聯雷射」可能偵測得到火山的蠢蠢欲動

撰文/蔡宙(Charles Choi)
翻譯/甘錫安
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地球科學

仰火山之鼻息

「量子級聯雷射」可能偵測得到火山的蠢蠢欲動

撰文/蔡宙(Charles Choi)
翻譯/甘錫安
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公元79年古希臘的維蘇威火山爆發,毀滅了龐貝和赫庫拉寧兩座城市,數萬名來不及逃離的民眾遭到活埋。目前維蘇威火山仍在活動,在它西邊不到10公里處就是義大利的城市那不勒斯;西西里島上經常爆發的埃特納火山附近,也有數個城市。為防範居民遭逢相同的命運,新型雷射系統將可提前數個月預測火山爆發。

目前預測火山爆發的方法都有些不足之處。地震儀可監控火山活動造成的細微震動及其他地面活動,但測量資料往往不夠精確或太複雜而不易解讀。對釋放出的氣體加以掃描偵測,可以得知火山內部是否有岩漿在移動,但用來分析這類氣體的儀器往往太過脆弱且龐大,無法在實驗室外使用。美國萊斯大學應用物理學家蒂特爾(Frank Tittel)解釋說道:「我們必須上火山採集樣本,然後送回實驗室,通常還要等上好幾個星期甚至好幾個月,才能進行分析。」

有一種較被看好的預先偵測技術,是以二氧化碳中碳同位素的變化做為分析重點。大氣中碳12和碳13的比例大約是90 :1,但在火山氣體中的比例往往大不相同。比例的變化即使只有千萬分之一,都可能是種警訊,表示有岩漿在火山內累積或逐漸上升,其中的二氧化碳逸出所致。

雷射可以幫助我們偵測這些變化。碳12和碳13可吸收的中紅外光,波長略有不同,雷射必須不斷在這些波長之間變換。以往研究人員使用的鉛鹽雷射必須以液態氮冷卻,因此不適合在實地使用。此外,鉛鹽雷射是低功率雷射,其功率不到百萬分之一瓦特,發射的頻率也不穩定。其他的同位素掃描技術,同樣也僅限於在實驗室使用。

蒂特爾和其他來自美國、英國的科學家,與義大利政府合作,以量子級聯雷射(quantum-cascade laser)設計出火山監測系統。這種半導體雷射可產生頻率範圍很廣的高功率雷射。另外,這種雷射裝置相當堅固耐用,且不需要以液態氮冷卻,體積得以縮小到可以放進鞋盒。

研究人員於2000年首次試驗這種裝置,用以偵測尼加拉瓜火山口排出的氣體。實地的測試將能進一步考驗它在火山惡劣環境中的效能和精確度。美國科羅拉多州波爾德市國家大氣研究中心研究工程師黎克特(Dirk Richter)表示,要設計一套「能在地球上最惡劣、最具挑戰性的地方運作」的系統確實相當困難,但是「如果世界上真有一群人敢這麼做,那群人一定就是蒂特爾的研究團隊。」

如果這套儀器試驗成功,他們計畫將在火山周圍設置這種雷射早期預警系統,每組裝置都可即時發送資料。誤報的狀況應該不會發生,因為岩漿中二氧化碳同位素的比例和地殼有明顯的不同。雷射可協助偵測到的此種變化,也可能持續數星期到數個月,有充裕的時間可與其他儀器資料比對,也有足夠的時間提醒民眾撤離。隸屬此研究團隊的英國牛津郡拉塞福阿普頓實驗室物理學家韋德曼(Damien Weidmann)說:「這套系統的主要目的是防範類似維蘇威火山爆發這樣的重大災難。」標準型系統的實地測試預計將於2005年春天在羅馬東南方阿爾班山的火山區進行,地點相當接近教宗若望保祿二世的避暑山莊,另外測試也將在美國新墨西哥州洛沙拉摩斯的火山區進行。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2004年第34期12月號】