火山喷发柱中活性溴限制岩浆气体在大气界面的排放温度与氧化过程

为解决火山气体氧化状态与岩浆条件关联的难题，研究人员通过动力学模型揭示了高温岩浆气体与空气混合时BrO的快速形成机制，证实H2/H2O等还原气体在界面氧化程度受温度控制，为火山活动监测提供新指标。

　　

火山喷发释放的气体如同地球的“呼吸”，其化学组成隐藏着地下岩浆活动的密码。长期以来，科学家们试图通过火山羽流中的气体成分反推岩浆房的物理化学状态，但一个关键难题始终悬而未决：当炽热的岩浆气体（温度可达1300K）突然与空气相遇时，是否会因快速化学反应而“失真”？传统观点认为这些气体在喷发瞬间就被“冻结”保存原貌，但越来越多的观测发现，羽流中普遍存在的溴氧化物（BrO）暗示着复杂的氧化过程正在发生。

埃特纳火山——欧洲最活跃的火山，成为破解这一谜题的理想天然实验室。这里持续观测到高浓度BrO，同时又能检测到本应被氧化的还原性气体如H₂和CO。这种看似矛盾的现象促使研究人员开发了创新的动力学模型，首次完整模拟从岩浆喷发到大气扩散的全过程化学演变。

研究团队构建了双阶段模型：高温阶段（HT）采用燃烧化学机制模拟0-10秒内湍流混合过程，大气阶段（ATM）则通过多相光化学机制模拟数小时的溴爆炸反应。模型创新性地引入岩浆气泡半径（r₀）参数，通过t^3/2和t^0.87两种湍流模式分别刻画不同时间尺度的混合过程。

物理和混合参数揭示动态大气界面
模拟显示岩浆气体在1-10秒内从初始温度（T₀=823-1323K）骤降至400K，空气混合比（V_A/V_M）呈数量级增长。小气泡半径（0.1m）的混合速率比大半径（10m）快10倍，证实界面过程具有极端动态性。

高温氧化显著改变气体组成
关键发现是大气O₂与岩浆水蒸气反应生成大量HO_x自由基（OH达ppm级）。在1323K时，OH在0.1秒内将40%的HBr转化为活性溴物种（Br、BrCl），同时使H₂/H₂O降低两个数量级。但温度降至923K时，氧化程度锐减，印证温度是氧化程度的“调控开关”。

BrO快速形成的必要条件
高温界面产生的BrCl等物种在冷却后通过“溴爆炸”循环（BrO+HO₂→HOBr→Br₂）快速生成BrO。模型成功重现埃特纳羽流中实测的BrO/SO₂比值（3×10^-4），而忽略高温化学的参照组仅能生成1/10的BrO。

界面氧化对氧化还原组成的调控
通过比对埃特纳实测数据，发现1023-1123K的排放温度能同时解释BrO丰度和H₂残留现象。这表明岩浆气体可能在地下经历200-300K冷却（如气泡绝热膨胀）后才接触空气——这一发现为岩浆通道动力学提供了直接证据。

这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究颠覆了传统“化学冻结”假设，提出“高温大气界面”新概念。其意义在于：①建立BrO作为岩浆温度的指示剂；②揭示还原气体在羽流中的留存条件；③为全球火山卤素排放的环境效应评估提供理论基础。未来结合更多火山（如马萨亚熔岩湖）的同步观测，或将发展出通过羽流化学反演岩浆活动的“温度计”。