我們在災難題材的影視作品中常常會看到這樣的場景：海底的火山劇烈噴發，翻攪出可怕的渦流和巨浪……
面對這個畫面，很多人的腦海中都曾閃過這樣的一個問題：
為什麼海底的火山不會被海水澆滅呢？
海底火山噴發，圖片來源：theconversation
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火山≠噴火的山
在理解這個問題之前，需要先糾正部分人的錯誤印象。
很多人在想起火山時，第一反應可能是一座高聳的錐形山，正在噴出粗大的煙柱——看上去就好像是一座正在噴火的山。
而在火山噴發之後，大面積飄落的大量白色火山灰，也與我們常見的菸灰極為類似，都是細顆粒的灰塵，都是灰白色。
所以很多人下意識認為火山＝噴火的山。但如果我們拉近視角，近距離觀察火山就會發現完全不是這樣的。
因為火山噴發出來的熔岩實際上是一種高溫流體，在本質上與水並無差別，反而與火是截然不同的物質。
許多熔岩的近距離照片都可以明顯看出它們很多時候與液體無異。
我們從小學習物理的時候就知道物質存在三種相態的變化：氣體、液體、固體。與相態變化相關的則是熔點和沸點。
以水為例，水的熔點是 0℃，沸點是 100℃，當溫度低於 0℃ 時，我們見到的固態水——冰；
當溫度處於 0℃—100℃ 之間時，我們見到的是液態水；
而當溫度高於 100℃ 時，我們見到的則是氣態水——水蒸氣。
基本上所有物質都是這樣，有熔點和沸點，並會隨著溫度而改變相態。
岩漿則是熔融的岩石——由於岩石成分非常複雜，其內部不同成分的熔點和沸點均不一致，所以其實大部分岩漿是固液氣混合物。
而與之相比，火焰則是可燃物在燃燒過程中釋放光和熱以及各種化學產物的過程。
在火焰中，主要物質成分是二氧化碳、水蒸氣、氧氣、氮氣等氣體。理解了火山噴出的是岩漿，而岩漿是高溫熔融體而不是火這一點之後，我們應該就能理解：當海底火山噴發的時候，岩漿進入海水中其實就好像在冷水槽中通入熱水一樣，而不是從海底噴出的大火。
冷水會讓熱水降溫，但卻無法像撲滅火焰一樣，讓熱水消失，除非我們手動關閉熱水水龍頭。
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海底火山從哪裡來？
所以問題到了這裡就變成，既然海底火山如同一個不斷噴出熱水的水龍頭，而海水又會讓岩漿降溫變成岩石。
那麼巨量的海水無疑能讓噴出來的岩漿都凝固，從而堵塞火山口，讓海底火山再也無法噴發吧？
答案是不能。
因為火山實際上是行星級別的熱量和物質循環的產物，地球不死，火山就不會停止活動。
整個地球其實是遵循著基本的物理和化學規律在運轉的，這些規律並不深奧。
比如火山的形成和活動，就可以用熱力學第二定律來解釋——聽起來很專業，但它的其中一種表述（克勞修斯表述）卻很貼近我們的生活：熱量總是自發地從高溫熱源流向低溫熱源，而不是相反。
如果追溯地球 46 億年的演化歷史就會發現這一規律的作用：
大約 46 億年前，地球在無數星子的碰撞中逐漸誕生，碰撞的能量轉換為熱量。
因此，當時的地球是一個巨大的岩漿球（整個或大部分地表都是岩漿），其表面溫度高達數千攝氏度。
無數小行星的撞擊下地球就是一個紅彤彤的岩漿球，圖片中的環狀就是撞擊產生的。
圖片來源：flickr/Kevin Gill
隨後，由於岩漿是可流動的，因此重的物質下沉，輕的物質上浮（看，這裡又是一條物理規則）。
重的物質下沉時，重力勢能會轉化為熱能；同時，原本分散在星子中的放射性元素也因此而聚集在一起，不斷進行衰變，同時釋放出能量。
這些能量讓地球內部的岩漿一直處於加熱狀態。
但與此同時，由於宇宙背景溫度很低，平均為 -270℃，所以地球以熱輻射的方式不斷向外傳遞熱量（熱量傳遞三種方式：
熱傳導、熱對流、熱輻射，但宇宙中為真空，沒有介質，所以地球只能以熱輻射形式向外傳遞熱量）。
既然傳遞了熱量，那麼地球肯定要降溫——地表最先降溫，於是這裡的岩漿就會先冷卻下來形成岩石，這就是最初的地殼了。
靠近橫行的克卜勒-78b 行星，其表面被灼熱成熾熱的岩漿。圖片來源：wikipedia/Jack Madden
到了現在，地球已經演化出地殼、地幔、地核三層結構，其溫度也是從地殼到地核越來越高。
同時，因為重的物質不斷下沉，導致其密度也是越來越高的——地殼平均密度 2.8g/cm3，地幔平均密度 4.59 g/cm3，地核平均密度 11 g/cm3。
所以我們也可以認為地殼就是「漂浮」在地幔之上的——就跟木板漂在水上一樣。到了這時候，我們就可以把地球想像成一個火鍋——
地核是火爐，能量來源於重力勢能以及放射熱能；
地幔是火鍋湯底，因為火爐的炙烤不斷升溫；
地殼則是漂浮在最上層的白菜幫子。
在地核加熱下，地幔不斷產生熱對流——熱的地幔從地核處往上運動，冷的地幔物質從地殼之下往下層鑽。
地幔中的熱循環模式，有人認為是全幔循環，有人認為是上下地幔分別循環。圖片來源：wikipedia
而地殼部分相對於地幔和地核非常薄，地殼平均厚度只有17千米（大陸地殼 33 千米，海洋地殼 10 千米），就算加上上地幔頂部部分固態岩石後組成的岩石圈，其厚度也只有 100 千米左右。
與之相比，地幔厚度則高達 2850 千米，因此，在地幔運動的帶動下，這些薄薄的固態岩層必然會被撕裂開來，並隨著地幔而運動——
就好像火鍋上的白菜幫子會因為火鍋湯底的翻騰而運動不休一樣。
被撕裂的地殼的各個部分就變成了板塊，而隨著地殼的運動，板塊之間也會運動起來，有些板塊之間相互碰撞，有些板塊之間相互分離。
從常識就能知道，這些相互分離的板塊邊界處又薄又脆弱，其下的地幔物質也很容易突破岩層的封鎖，噴出地表——
這樣就會沿著板塊邊界形成一長溜火山帶。
而隨著板塊之間分開的越來越遠，板塊邊界處火山噴發後的岩漿冷卻，就形成了薄薄的地層，也就是洋殼。
由於這裡相對於板塊內部地層薄很多，因此自然就是低洼地帶，所以就會積水形成海洋。
事實上海洋也就是這麼形成的，而海洋的形成也與板塊運動息息相關。
我們在目前的地球上就能找到各個生長階段的海洋：
裂谷-小洋盆-成熟的洋盆-消亡階段的洋盆-死亡即將閉合的洋盆-完全閉合的洋盆。這在地質學中被稱為威爾遜循環。
威爾遜循環。圖片來源：wikipedia
所以，海底火山實際上就是板塊運動的結果，其中絕大部分海底火山都位於板塊分離的邊界。
從二戰以後，隨著人類對海洋探索的深入，我們已經發現了漫長的海底火山帶，它們大多位於海洋中間的位置，被稱為洋中脊。
它們是世界上最長的山脈，總長度約有8萬千米。
地球上的洋中脊分布圖，有洋中脊的地方就有海底火山。圖片來源：wikipedia
當然，還有另外一些海底火山。它們的形成與地幔熱柱的活動有關係。
在地幔處並不是處處均勻受熱的，其中部分地幔物質要比其他地方熱很多，熱了就會向上跑，於是它們就會形成直達地殼之下的地幔熱柱。
地幔熱柱頂端可能還會分出不少分支小熱柱來，它們的活動也會頂破薄薄的洋殼的束縛，成為不斷噴涌的海底火山。夏威夷島鏈的形成就與此有關。
在這個理論中，地幔熱柱的位置是不變的，但是由於地殼運動（圖中深藍色箭頭），地幔熱柱就在地殼上形成一系列火山。圖中的數字是島嶼的形成年代，單位為百萬年，比如4.89，就是489萬年。圖片來源：getarchive.net
從太空中俯瞰夏威夷島鏈。圖片來源：wikipedia
但無論是板塊邊緣，還是地幔熱柱，火山的形成都是地球內部熱量循環的結果，僅靠地表這薄薄的一層海水是無法讓地球內部停止活動的。
所以說，大家就不必為海底的火山而擔心啦！
出品：科普中國
作者：地星引力
監製：中國科普博覽