仰火山之鼻息
「量子级联雷射」可能侦测得到火山的蠢蠢欲动
撰文╱蔡宙（Charles Choi）
翻译／甘锡安

此为维苏威火山在1944年时的样貌，它现在依然威胁着那不勒斯。
公元79年古希腊的维苏威火山爆发，毁灭了庞贝和赫库拉宁两座城市，数万名来不及逃离的民众遭到活埋。目前维苏威火山仍在活动，在它西边不到10公里处就是义大利的城市那不勒斯；西西里岛上经常爆发的埃特纳火山附近，也有数个城市。为防范居民遭逢相同的命运，新型雷射系统将可提前数个月预测火山爆发。

目前预测火山爆发的方法都有些不足之处。地震仪可监控火山活动造成的细微震动及其他地面活动，但测量资料往往不够精确或太复杂而不易解读。对释放出的气体加以扫描侦测，可以得知火山内部是否有岩浆在移动，但用来分析这类气体的仪器往往太过脆弱且庞大，无法在实验室外使用。美国莱斯大学应用物理学家蒂特尔（Frank Tittel）解释说道：「我们必须上火山采集样本，然后送回实验室，通常还要等上好几个星期甚至好几个月，才能进行分析。」

有一种较被看好的预先侦测技术，是以二氧化碳中碳同位素的变化做为分析重点。大气中碳12和碳13的比例大约是90 :1，但在火山气体中的比例往往大不相同。比例的变化即使只有千万分之一，都可能是种警讯，表示有岩浆在火山内累积或逐渐上升，其中的二氧化碳逸出所致。

雷射可以帮助我们侦测这些变化。碳12和碳13可吸收的中红外光，波长略有不同，雷射必须不断在这些波长之间变换。以往研究人员使用的铅盐雷射必须以液态氮冷却，因此不适合在实地使用。此外，铅盐雷射是低功率雷射，其功率不到百万分之一瓦特，发射的频率也不稳定。其他的同位素扫描技术，同样也仅限于在实验室使用。

蒂特尔和其他来自美国、英国的科学家，与义大利政府合作，以量子级联雷射（quantum-cascade laser）设计出火山监测系统。这种半导体雷射可产生频率范围很广的高功率雷射。另外，这种雷射装置相当坚固耐用，且不需要以液态氮冷却，体积得以缩小到可以放进鞋盒。

研究人员于2000年首次试验这种装置，用以侦测尼加拉瓜火山口排出的气体。实地的测试将能进一步考验它在火山恶劣环境中的效能和精确度。美国科罗拉多州波尔德市国家大气研究中心研究工程师黎克特（Dirk Richter）表示，要设计一套「能在地球上最恶劣、最具挑战性的地方运作」的系统确实相当困难，但是「如果世界上真有一群人敢这么做，那群人一定就是蒂特尔的研究团队。」

如果这套仪器试验成功，他们计画将在火山周围设置这种雷射早期预警系统，每组装置都可即时发送资料。误报的状况应该不会发生，因为岩浆中二氧化碳同位素的比例和地壳有明显的不同。雷射可协助侦测到的此种变化，也可能持续数星期到数个月，有充裕的时间可与其他仪器资料比对，也有足够的时间提醒民众撤离。隶属此研究团队的英国牛津郡拉塞福阿普顿实验室物理学家韦德曼（Damien Weidmann）说：「这套系统的主要目的是防范类似维苏威火山爆发这样的重大灾难。」标准型系统的实地测试预计将于2005年春天在罗马东南方阿尔班山的火山区进行，地点相当接近教宗若望保禄二世的避暑山庄，另外测试也将在美国新墨西哥州洛沙拉摩斯的火山区进行。

【本文出自科学人2004年12月号】

来自 http://sa.ylib.com/news/newss...No=589&CL=32