众所周知，火山灰形成于火山喷发的过程之中，凝固的岩浆由于受到火山活动的剧烈推动，形成了由碎石和矿物质粒子所组成的微观碎片。而火山灰在形成之后，便进入了地球的大气层，并通过风力的作用被运输到不同的地点。这些火山碎屑物具有传播距离远、污染范围广的特点，它们中的一部分在覆盖冰面时被保留了长达数千年，而另一部分则在侵入到水中之后影响了水质。那么，形成于火山喷发的透明冰芯中的褐色层，与当时的气候存在着怎样的关联?而在火山活动的附近区域内，其水源的污染速率又是否取决于火山灰的形状?

　　火山灰的形成原理及组成部分

　　火山是地球上较为常见的一类地貌形态，而当其在压力作用下喷出熔融物质的过程，则是一种被称为火山爆发的自然现象。由于火山的类型具有多样性，因而，它们在爆发时所具有的破坏性也有所不同，比如：休眠火山、死火山和活火山。而火山灰的形成，就源于火山爆发时的岩浆或岩石被粉碎，这种细小颗粒不仅坚硬，而且还不溶于水。火山灰的形成过程，实质上就是一个二次反应过程，强大的压力作用使得熔融状态的岩浆在火山口喷出，并形成了岩浆雾，而火山灰又形成于这些岩浆的雾化作用。

　　那些由火山活动所产生的火山灰，它们的直径通常处于2毫米以下的范围，并主要呈现出灰色、黄色和白色。不管是火山的液态喷出物，还是固态喷出物，其中火山灰的含量最多、且分布更广，而当其经历堆积压紧之后，便会成为凝灰岩。比如，活性氧化硅、二氧化硅等活性物质，也存在于一些火山灰质的混合物质之中，尽管它们的存在数量有限。或许你有所不知，火山灰颗粒的大小，不仅决定了可到达我们呼吸道部位的深浅、损坏我们的建筑物表面、降低空气中的能见度，还能给予过往气候的重要提示，并决定该火山活动区域的水质污染速率。

　　冰芯中的火山灰和气候有关

　　有时候，科学家们也会在一些透明的冰芯中，观察到一到两毫米左右的褐色薄层，而这些微小的部分则形成于火山喷发的时候。那些数千年前覆盖在冰面的火山物质，虽然难以肉眼观察到，颗粒的大小一般处于十分之一到百分之一毫米，但研究人员却可以通过冰芯实现回收。极小的灰烬碎片含量，导致了大多数火山层在冰芯中都不可见，需要其中一层存有足够的灰烬颗粒，方才足以在该冰芯中观察到棕色的细条带结构。

　　我们可以通过数字来具体感知这样的探索难度，倘若我们想要在三公里左右的冰芯中，找到含有足够灰烬颗粒的灰烬层存在于冰芯之中，那么，这几乎就是一件不可能完成的任务。之所以科学家们会耗费如此多的时间来研究火山灰，其中还有一个与气候有关的重要因素，也就是说，含有火山灰的不同冰芯，记录下的实际上是不同时期的气候信息。我们可以通过火山灰本身的化学指纹，追溯到其火山来源，以及详细的喷发源。尽管分析样品的准备过程耗时费力，但却可以通过其化学成分的结果，将其与沉积岩心、或其他冰中具有类似碎片的分析数据进行对比，又或是将其与目标火山喷发现场的火山灰烬中含有的成分进行针对性比较。

　　火山灰形状决定水源污染速率

　　事实上，火山爆发时威力的大小，可直接决定其传播的距离有多远，而其周围土壤、植被、地表水和地下水的重金属污染，则会在短时间内快速蔓延。科学家们表示，火山灰的形状往往和水源被污染的速率有关，而这个关键的指标就是火山灰颗粒的面积。简而言之，火山灰的气泡多少决定了颗粒的表面积大小，而对于表面积更大的火山灰而言，则拥有更多的表面来渗透水，因而其浸出速度会相对更快，这为科学家们预估火山活动区域内的水质风险提供了很大的帮助。

　　科学家们在针对火山灰进行的研究过程中发现，就火山区域附近水源污染的程度而言，尽管，火山长时期以来的反复喷发，会导致该区域中的污染物蓄积。但就单次火山爆发事件而言，则在开始几个小时中呈现出了最严重的趋势，然后出现了浸出率缓慢下降的情况。这个结果同时还表明了，火山灰的颗粒结构与水质的污染存在很大关联，我们开始了解到这样一个重要的基本事实：污染物在水中的溶解方式，也会受到火山灰类型的影响。比如，左图中所示的图里亚尔巴火山的安山岩灰，便因为拥有高孔隙率而具有更大的表面积。但右图中所示的基拉韦厄的玄武岩灰图像，则由于具有光滑的球形外观而呈现出了相对更小的表面积。

　　关于火山灰研究的过去和现在

　　在之前的很长一段时间里，我们对火山灰所进行的研究，总是假定它们中的每个颗粒都具有致密而均匀的球形结构。然而，却忽略了其中的某些部分颗粒具有多孔性，比如，每一个多出来的微小气泡都可以增加火山灰的表面积，并促使更多的水因为充分接触了这样的物质而被污染。并且，火山灰也并不只有一种类型，它们分别都拥有自身特有的组成元素，因而具有不同的污染物浓度。比如，玄武岩灰中的火山灰金属含量就比安山灰更高。

　　科学家们为了弄清不同形态的火山灰，在同样的环境中如何浸入，于是收集了四个不同火山的火山灰样本。不仅测量了这些样本各自的表面面积，而且还计算了灰烬中包含的气泡数量。从实验过程来看，在七天的时间里，具有更大表面积的灰烬颗粒所，具有的金属浸出速度相对更快。为了确保实验的准确性，研究人员还在该过程中的不同时间节点，进行了火山灰样品表面积的测量，以确认风化对浸出率所带来的影响到底有多大。而这一切又会为当时的环境带来不可磨灭的影响，火山灰就像是一个指纹钥匙，能够带给我们和它有关的许多重要信息。