火山灰不是普通的灰尘:它被注入大气，上升到平流层，影响气候，使道路粉末化，堵塞喷气发动机。
为了弥合火山学家和致力于气候变化和观测全球系统的大气科学家之间的知识差距，康奈尔大学的研究人员对许多具有广泛成分范围的爆炸性喷发的火山灰样本进行了表征。这项工作正在帮助科学家揭示这种以微米和纳米为单位的微小物质是如何在大气中发挥重要作用的。
图片来源:Adrian Hornby/提供
火山灰是由硅酸盐玻璃中的矿物质形成的，如图所示。火山柱和大气中的气体的反应也会在火山灰表面形成盐晶体，就像2021年西班牙加那利群岛拉帕尔马岛Tajogaite火山喷发时火山灰颗粒上的星号状盐。
这项名为“细火山灰的阶段”的研究发表在9月21日的《科学报告》上。
“大型火山爆发会对气候产生可测量的影响，这种影响会持续数年甚至数十年，”该研究的第一作者、地球与大气科学系博士后阿德里安·霍恩比说。“细火山灰的分散和运输及其与地球的相互作用涉及各个学科——从大气科学和气候模型到环境研究，甚至公共卫生。”
火山可以由地幔深处的热点产生，就像夏威夷的火山一样，也可以在两个构造板块碰撞的俯冲带形成。但每一种都有独特的指纹状成分，可能引发各种环境问题，给地球带来复杂的问题。
Hornby说，火山的火山灰是一种复杂的颗粒物质，由岩浆碎片形成，在火山爆发时注入大气。
“火山灰含有矿物、硅酸盐玻璃和孔隙的部分成分，但在火山喷发中产生的预期成分和性质尚不明确，”霍恩比说。“细火山灰在大气中广泛传播，对地球系统、基础设施和人类健康产生广泛影响，这是事实。”
由于缺乏数据，科学界一直依赖于粗略的近似值或糟糕的火山灰组成模型。现在，康奈尔大学的研究小组收集了40次火山喷发的样本，以其规模和构造背景为特征，提供了一个更好、更全面的数据集。他们专注于小于45微米的火山灰颗粒，这是相关的，因为大气风可以运输它并产生更广泛的影响。
他们发现火山灰的组成随着颗粒大小、构造环境和化学成分的不同而有很大的不同。随着颗粒尺寸变得更细，晶体二氧化硅(如果你吸入它，会导致健康疾病和肺癌)和盐的含量会增加，而玻璃和氧化铁的成分会减少。
从菲律宾皮纳图博火山(1991年)、华盛顿圣海伦斯火山(1980年)、意大利埃特纳火山(公元前122年)和西班牙加那利群岛拉帕尔马(2021年)等23座火山中筛选的样本中，该小组使用x射线衍射检测材料的原子结构，并使用改进的方法识别和测量矿物和玻璃的比例，并使用扫描电子显微镜确认相，评估形态和质地。
这些样品的矿物含量差异很大:皮纳图博产生了大量长石(一种来自地壳的丰富的铝硅酸盐矿物)和角闪洞(火山爆发的重要矿物)，以及石英，这是火山爆发前通过分离结晶和其他过程产生的重要熔融演化的证据。
另一个极端是2021年西班牙加那利岛拉帕尔马的Tajogaite火山喷发，其矿物负荷以长石、斜辉石和橄榄石为主，橄榄石是原始熔体的矿物特征，其地幔源演化较少。
Hornby表示，对于2021年Tajogaite期间收集的样品，玻璃的平均含量从50%下降到35%，而致密含铁矿物的含量从35%增加到50%。在所有情况下，颗粒越细，盐含量越高。
“在细颗粒灰中，我们发现盐的含量显著增加，”资深作者、查尔斯·n·梅洛斯大学工程学教授埃斯特班·加泽尔说。“这很重要，因为盐很容易溶解。当细灰到达海洋时，首先溶解的是盐。你不想吸入它，因为它会与你的肺部发生反应。”
火山灰，由于其大量产生、大气运输和沉积到每一个已知的生态系统的性质，是火山作用中最跨学科的方面。“我们的研究提供了第一个数据驱动的资源，以更好地约束火山灰矿物和玻璃成分和密度，这是大气科学家研究火山灰运输和更好地了解其对地球系统的影响所需要的，”Gazel说，他也是康奈尔大学阿特金森可持续发展中心的教员研究员。
灰分密度由矿物含量控制。“不管大小，不管岩浆的来源，”Hornby说，“我们能够从矿物和氧化铁中获得一个相当好的密度估计。”
这些大气中的火山灰可以长距离影响气候和生态系统，甚至影响到远离火山的其他大陆。“大气科学家一直忽视了火山灰对气候和生物地球化学的影响，”欧文波特教堂工程学教授、资深作者娜塔莉·马霍瓦尔德说。“通过这项研究，我们终于有了估计影响的数据。”
除了霍恩比、加泽尔和康奈尔大学阿特金森学院的高级教员马霍瓦尔德之外，合著者还有博士生凯尔·戴顿;克莱尔·布什22岁。这项工作由美国宇航局跨学科科学基金、美国国家科学基金会和康奈尔·阿特金森资助。
