科学者たちはトンガの火山噴火の猛威を解明しようと競い合っている

2022年1月20日午前10時17分

フンガ・トンガ-フンガ・ハアパイの噴火と津波は、火山学者がこれまでに見たものとは異なっています。

12月20日、南太平洋に浮かぶ小さな無人島を頂上に持つ海底火山、フンガ・トンガ＝フンガ・ハアパイが7年間の眠りから目覚めた。火山は噴火し、パチパチと音を立て、巨大な火山灰の噴煙を上げた。1万マイル離れたイギリスでは、オックスフォード大学の衛星データ研究者、サイモン・プラウド氏が、複数の衛星を用いて、この活動を続ける火山の監視を開始した。

2021年が2022年へと移り変わり、大規模な噴火の始まりと思われた活動は、一見沈静化したように見えました。しかし、トンガ時間1月14日の早朝、高さ19キロメートルの火山灰が空を切り裂きました。火山は次第に激しくなり、毎秒数百もの雷が渦巻いて陸地と海を襲いました。そして翌日、1月15日の午後遅く、衛星が大惨事の現場を捉えました。

イギリスに戻ったプラウドは、その日目を覚まし、コンピューターを確認すると、彼自身も、そして他の誰も見たことのないような灰の塔を目にした。衛星画像には、島の上空22マイル（約35キロメートル）から巨大な灰の柱が立ち上り、長さ160マイル（約260キロメートル）に及ぶ、影のように嵐のようなキャノピー（樹冠）を形成している様子が捉えられていた。キャノピーの中心からは、高度34マイル（約55キロメートル）まで達する、細く束の間の火山岩の塊が立ち上がっていた。これは巡航中の旅客機の高度の約5倍に相当する。「一体これは何だ？」とプラウドは思ったことを思い出す。「データを見て、これは今まで見たことのないものだと思いました。本当に信じられない」

世界中が驚きの声を上げた。TNT火薬1,000万トン相当と推定される火山灰雲をもたらした爆発は、2020年8月にレバノンの首都ベイルートで発生した致死的な爆発の2万5,000倍ものエネルギーを放出した。トンガの噴火は、今世紀最大級の爆発の一つに数えられる。そして、その勢いは止まらなかった。

「そして衝撃波が襲ってきた」とオックスフォード大学の火山学者マイク・キャシディ氏は語る。時速600マイル（約960キロ）の火山爆発から発生した衝撃波は、地球の反対側で気圧の急上昇を引き起こした。「誰もこんなことは見たことがない」。爆発から20分以内に、高さ1.2メートルの津波がトンガ王国の主要島であるトンガタプ島を襲った。小規模な津波が日本やアメリカ大陸の西海岸を襲う頃には、すでに灰がトンガの複数の島を覆い、農業を壊滅させ、水源を汚染し、電力インフラを混乱させ、道路や滑走路を遮断していた。トンガ諸島と世界を結ぶ海底通信ケーブルが損傷し、国際電話とインターネットサービスが遮断された。おそらく数週間は修復されないだろう。

火山学者たちは、目の当たりにしている光景が信じられなかった。どんな基準で測っても、これは驚くべき、恐ろしい噴火だった。そして、火山活動が収束すると同時に、世界的な謎が始まった。一体どのような一連の地質学的現象が、これほどの壊滅的な噴火を引き起こしたのだろうか？そして、この謎を解明するには、どのような研究が必要なのだろうか？

火山噴火の一般的なメカニズムは広く知られています。しかし、1月15日の壊滅的な爆発については、より徹底的な調査と、最終的には新たな説明が必要です。フンガ・トンガ・フンガ・ハアパイ火山が噴火したとき、ニュージーランドのオークランド大学の火山学者シェーン・クロニン氏は、火山学者であろうとなかろうと、他の皆と同じ反応を示しました。「なんてこった！」。

「でも、12月30日には本当に『マジか！』と思った瞬間があったんです」と彼は言う。その日、火山からかなり高い噴煙が上がった。「すごく激しかったから、警戒しなきゃいけなかったんです」。そして、メインイベントの直前に、またしても空を突くような噴煙が上がった。どちらも火山物質は比較的少なかったが、大量のガスを含んでいた。そして、ガスで満たされたドロドロのマグマは厄介なものだ。瓶の中に閉じ込められた炭酸飲料をかき混ぜたように、突然キャップを外すと、そのガスが膨張し、ものすごい勢いで飲み物が噴き出す。つまり、この2回の噴火は、マグマ溜まりに大量のガスが閉じ込められていることを示しており、これから起こる壮大な爆発の前兆だった。「今にして思えば、あれは私たちにとって大きな警告だった」とクロニンは言う。

かつては繋がっていたが、現在は分離しているフンガ・トンガ島とフンガ・ハアパイ島は、波の下に広がる全長19キロメートルの大釜状の火山（カルデラ）が、小さな地表に現れたものです。この巨大なカルデラには、多量のガス状マグマが含まれていることは古くから知られています。クロニン氏は、このカルデラの火山活動の歴史を調査した最近の研究の共著者です。この研究によると、カルデラのマグマ溜まりが再び満たされるには何世紀もかかり、先週末に発生した大規模な噴火は、およそ1000年に一度の頻度で発生し、溶岩の貯蔵庫の大部分が激しく突然に空になった結果です。

稀な例ではあったものの、この爆発は火山爆弾によるものであり、爆弾には起爆装置が必要だ。しかし、どのような起爆装置だろうか？クロニン氏と同僚たちは、ある仮説を思いついた。時が経つにつれ、マグマに溶けていた水などの液体がガスとなって噴出し始め、上部の岩盤にかかる圧力が高まったのだ。火山が膨張し、岩盤に亀裂が生じた。やがて、上部の海水が亀裂に入り込み、マグマと衝突した。その時、地獄の門が開いたのだ。

この水は急速に加熱され、気体へと蒸発した。もしこれが海面下数マイルで起こったとしたら、海の強い重力によって周囲のマグマへのガスの膨張は抑制されるだろう。しかし、波からわずか数百フィート下という浅さでは、水はまるで超強力な空気圧ポンプのようにマグマを吹き飛ばし、溶岩を無数の破片に砕いた。「そしてドカーン」とクロニンは言う。「さあ、出発だ」

最初の爆発によって、より多くのマグマが海水と接触する道が開かれ、それがさらなる爆発を引き起こし、さらに多くのマグマが海水と接触します。その間、巨大な溶岩の貯留層は劇的に減圧され、海へと流れ込みます。「これは非常に激しい連鎖反応を引き起こすでしょう」と、ブリストル大学の火山学者サム・ミッチェル氏は言います。「水、熱、そしてマグマが余っているのです。」そして、一瞬のうちに10メガトンの爆発が起こります。

いずれにせよ、それが仮説です。これを裏付けるには化学分析が必要です。もし科学者が爆発前と爆発中に生成された灰を採取できれば、それぞれの粒子の化学的・組織的特徴の違いから、爆発の引き金が明らかになるでしょう。例えば、灰が非常に細かく、量が多く、微細な亀裂が見られる場合、それはマグマが海水と激しく反応して生じたものであることはほぼ間違いないでしょう。

化学分析によって、そもそもマグマが加圧爆弾となった原因も明らかになるだろう。ある種の微細な火山結晶が広く分布していることから、マグマが長年地表直下に留まり、ゆっくりとガスを放出しながら加圧されていたことが明らかになる。しかし、これらの結晶に特定の被膜が存在することは、最近、マグマが地表から注入され、マグマ溜まりに臨界量の熱、ガス、圧力を加えたことを示唆する。爆発による巨大な火山灰の噴煙もまた、科学者に重要な手がかりを提供するだろう。しかし、その大きさを正確に計算するには数日を要した。

煙は対流圏へと上昇します。対流圏は大気の最下層であり、世界の気象の大部分を含む層です。高度とともに気温は下がるため、煙の温度からおおよその高度を測ることができるとプラウド氏は言います。「今回の場合、成層圏まで吹き抜けると、状況は少し難しくなります」と彼は付け加えます。成層圏は高度とともに温まるため、この希薄な空気の温度を用いると、煙の高度に誤差が生じてしまいます。

代わりに、プラウド氏と同僚たちは複数の衛星を用いて、その高度を視覚的に計算した。そして、煙の頂上が22マイル（約35キロメートル）にあり、中心の突起が34マイル（約56キロメートル）にあり、さらに高い大気層である中間圏に達していることを突き止めた後、プラウド氏はそれをただ一つしか表現できなかった。「まったくクレイジーだ」と彼は言う。

驚くほど高い高度まで達した噴煙は、噴火の爆発的な規模を物語っており、ひいてはこれほどの大規模爆発を引き起こしたメカニズムの解明にも役立つだろうとキャシディ氏は言う。「本当に爆発的な出来事だったに違いありません」とプラウド氏は言う。噴出した灰があそこまで到達するには、音速に近い速度で上昇していたに違いないと彼は付け加える。しかし、爆発の原因を解明するのはパズルの半分に過ぎない。もう半分は津波の引き金であり、単純に爆発のせいにしたい誘惑に駆られるものの、その起源はそれほど明確ではない。

海底火山は、噴火によって水面上に不安定な島を急速に形成し、危険な津波を引き起こしやすい。今月の災害以前、最も致命的な火山津波は、2018年にインドネシアのアナク・クラカタウ火山で発生したもので、数百人の死者を出した。津波の原因が隕石の衝突であれ、地震であれ、火山であれ、津波を引き起こす第一のルールは変わらない。それは、何か大きな塊を水中に移動させる必要があるということだ。しかし、火山がこれを実現する方法は様々だ。水中爆発、火山の山腹崩壊（アナク・クラカタウの場合のように）、火山全体の崩壊、あるいは噴煙から大量の火山岩屑が海に流れ込むなどである。

衝撃波も津波を引き起こす可能性があります。1月15日の爆発から間もなく、津波は太平洋沿岸だけでなく、カリブ海を含む世界各地で観測されました。このような津波は、大陸の障壁に阻まれて火山岩の移動によって引き起こされたはずがありません。しかし、本稿執筆時点で地球を3周した衝撃波は、空中に留まらなかったようです。遠くの海と相互作用し、海面を上下に揺さぶり、爆発発生地点から数千マイル離れた場所で小規模な津波を引き起こしました。

これは気象津波として知られる現象です。これまでも強力な嵐の渦下で観測されてきましたが、火山活動が全く異なる海域で気象津波を引き起こしたのが観測されたのは今回が初めてかもしれません。しかし、火山活動が何らかの役割を果たした可能性はあるものの、科学者たちは現在、トンガの深刻な津波の主たる原因として、衝撃波ではなく火山自体の活動に注目しています。

しかし、津波は正確にはどのように発生したのでしょうか？もし側面崩壊であれば、水中の岩石の堆積物は、今や崩壊した火山の地域から一方向に広がるはずです。もし火山全体が、マグマの基盤が火口から急速に排出された後に内部に崩壊したのであれば、周囲に放射状に広がる堆積物の輪状構造が予想されます。崩壊が非対称であれば、一方向に多くの残骸が集中する可能性もあります。そして、水中爆発は、それが直接的に起こったか、火山全体に広がったかによって、これら2つの堆積物のパターンのいずれかで表現される可能性があります。

ミッチェル氏によると、唯一の方法は観察することだという。小型爆薬や空気銃などを用いて船から火山に音波を発射し、その反射波を受信することで、科学者は火山の規模や特性を知ることができる。これにより、噴火後の火山の地図を作成し、噴火前の地図と比較することで、火山の形状がどのように変化したか、あるいは側面に新たな穴が開いたかどうかを明らかにすることができる。パイロットが遠隔操作するロボット潜水艇や、人間の介入を必要としない完全自律型潜水艇を海底探査に投入することもできる。

潜水艦による調査に加え、太平洋全域で津波の高さと到達時間を測定したブイや沿岸観測機器も重要となります。これらのデータが収集された後、コンピュータモデルに入力して津波を再現することができます。シミュレーションされた津波が海中の漂流物のパターンと一致すれば、研究者は実際の津波を引き起こした火山活動を確実に再現することができます。

予備的な衛星データから、いくつかのヒントが得られました。「おそらく、巨大なカルデラ陥没が原因だとは思えません」とクロニン氏は言います。フンガ・トンガ島とフンガ・ハアパイ島の2つの島は、噴火後、それほど沈んでいないように見えます。これは、火山が完全に崩壊しなかったことを示唆しています。また、先週末の爆発よりもはるかに古い時期に、同様の爆発を起こした火山岩が海底に大量に堆積しています。これは、たとえ海上で大規模な爆発があったとしても、その爆発のかなりの量が海中で発生した可能性があることを示唆しています。もしそうであれば、上空に打ち上げられた量に匹敵するほどの大量の火山岩が海に噴き出し、津波を引き起こした可能性があります。しかし、この現地調査が実施されるまでは、結論は出ません。今のところ、「多くの疑問が残っています」とクロニン氏は言います。

爆発から津波まで、この特異な噴火の背景にある科学的知見は未解明の疑問に満ちている。実際、現時点で確かなことは二つしかない。一つは、これはトンガにとって悲劇であったが、この噴火の致命的な特徴を解明できれば、未来の命が救われるということ。もう一つは、今やこの噴火の傷跡を深く刻まれた小国トンガだけでは、この科学的目標を達成することはできないということだ。

トンガ王国の火山学者たちは、トンガ地質調査所の職員を含め、近隣の火山を監視しており、誰よりもそのことを熟知している。しかし、同局には資金がほとんどないとミッチェル氏は言う。「大規模な水深測量調査をしたり、海底地震計を設置したりすることはできない」と彼は付け加える。したがって、世界中の科学者が協力してフンガ・トンガ＝フンガ・ハアパイの問題を解決しなければならない。「私たちが支援するなら、彼らに代わるのではなく、彼らと足並みを揃えて行う必要がある」。そして、トンガを守ることは、世界中の何百万もの人々を守ることにもつながる。地球には、同様に巨大な火山が点在しており、いずれ同様に壊滅的な噴火を引き起こすだろう。そして、そうなったとき、トンガの噴火から得られた知識は、地球を揺るがす次の爆発が迫っているときに早期警報を発する上で極めて重要となる可能性がある。

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