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1997年上映的美国经典灾难片《天崩地裂》(Dantes Peak)讲述了“火山爆发”背景下的故事。电影中,众人在逃离的过程中,需要划船渡湖。为了减轻船体负重,赶在完全溶解之前抵达对岸,老祖母跳进严重酸化的湖水,趟着及膝的湖水走到岸边,上岸后,重伤的老祖母离开了大家。

火山爆发有可能引起山体附近的湖水变酸?酸性会强到如此快速溶解船体么?……

这一次,松鼠会成员田不野联手来自中国地质大学地质学专业的守望祁连,将分别从地质学及反应动力学的角度解读:船体不会如此快速消溶,老祖母不必跳下船,别担心。

(编者注:从大约第30秒开始观看)

Q:火山爆发时,会引起山体附近的湖水变酸么?为什么?

守望祁连:

火山爆发期间,山下或附近的湖水,是有可能变为酸性的。

我们知道,火山发育的地方多是构造活动比较活跃的地方,例如环太平洋火山带,而这些构造活动比较活跃的区域多有大量的构造断裂,这些断裂的规模不一,差别较大,有的延伸可达几公里甚至几百公里。

当地质结构的变化时,会导致火山的爆发。岩浆沿着构造软弱带喷发出来,而由于构造挤压使得一些岩石挤压破碎形成一些裂缝,这也为火山气体运移提供了通道。此外大量的火山气体还可以通过地表浅处一些孔隙度较高的岩层(如砂岩层,这些岩层通常是较好的储水层和储油层)渗入到湖水中。

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另外,火山爆发所喷出的物质中,除了粘稠的岩浆外,还有挥发性气体。岩浆喷出地表后,会由于温度的降低和压力的减小逐渐冷却结晶变为火山岩。而那些挥发性的气体则扩散到空气中,也有可能溶解到地表的水体中。据研究,有的火山每次爆发排出的气体量可达几十万吨,如此大量,要使湖水酸化还是有可能的。火山爆发所含有的挥发性的气体有主要成分有水蒸气、二氧化碳、含硫化合物(包括二氧化硫,硫化氢等)、一氧化氮、氯、氟等气体。其中的一些成分,尤其是硫化物很容易溶解到水体中,形成亚硫酸,使水体酸化。(需要指出的是,火山气体的含量并不是固定的,由于地壳深部地球化学环境的不同这些气体的含量可能会有所差异。)

但是,根据电影中的情节来看,导致湖水大规模酸化的气体只可能从湖底附近的构造裂缝或孔隙度较高的岩层(例如砂岩)扩散运移进去——如果气体是通过空气然后溶解到湖水中,那么空气中就会有高浓度的有毒气体,那么,电影中的人物恐怕在遭遇酸性湖水之前,便已中毒身亡。

在这里,顺便说一个有趣的事,今年3月至4月冰岛火山爆发,在MSN和QQ上都在疯传这样一段谣言:“从今天起至28号,请大家不要淋到雨。因为欧洲冰岛的火山大爆发,向高空喷发了大量硫化物,在大气层7000-10000米的高空形成了浓厚的火山灰层,强酸性。我们将会遭遇750年一遇的酸雨。”

不久后就有专家出面告诫公众无须惶恐。原因很简单——即使火山喷出的气体量很大,但它们大多都扩散到对流层的上部、平流层的下部,这样这些气体的密度会大大降低,而且很少会参与到全球大气循环的对流圈中。

因此,总体来看,“火山气体使湖水变酸”是可能的;但是,火山气体溶入湖水的通道应该主要是地下的构造裂缝或高孔隙度的岩层,只有很少一部分会通过空气再溶到湖水中。

Q:即使酸性气体进入了附近水体,湖水的酸性会强到“需要老祖母跳下船,以便节省时间让船在溶掉之前到达对岸”么?

田不野:

应该不太可能。

虽然,有两个重要参数我们无法估算,一个是湖水什么时候开始酸化的,另一个是船在湖水中浸泡了多久——但是,如果假设这一切都发生在影片所示的如此短暂的时间——也就是主人公划船到对岸的时间,那答案便是不可能。

原因如下:

第一,火山喷发释放的酸性气体主要是二氧化硫,而二氧化硫溶于水生成的亚硫酸是中强酸,同等物质的量的时候酸性要比硫酸弱;当然,如果达到饱和溶解度的话,湖水的pH值也可以降到0以下——但是,这种情况所需要的二氧化硫,相当于约40倍湖水的体积。倘若如此大量的二氧化硫气体在如此短的时间突然从地下冒出,足以在湖面掀起惊涛骇浪了,而不是影片中所示的那么平静,仅仅出现几串微小的气泡。

第二,从反应动力学的角度来看,即使溶液中的酸度非常高,在酸液腐蚀船体和金属扇叶的时候,一方面与金属反应消耗了酸,造成金属表面氢离子浓度下降,另一方面,释放出来的大量氢气也变成了一个保护层,此时的反应速度由氢离子从湖体扩散到船表面的速度,以及氢气从船体表面飘出的速度决定。同样质量的金属,其反应速度跟它的形状(间接意味着和溶液接触的面积)有关,在溶液中的酸度很高且不变的情况下,虽然具体速度不易估算,但一定不会像电影中展现的如此快速。

第三,即使这个反应速度不受离子从湖体扩散到船表面的速度,以及氢气从船体表面飘出的速度控制,那船会很快沉下吗?这不是没有可能,因为要造成船漏水的话,并不需要全部溶解,只要有一、两个焊接的地方遭到破坏,整个船就会渐渐漏水直到沉没。

或许,我们可以从水面气泡来估算下溶解到底有多快。

酸腐蚀金属的原理很简单,无非是“金属置换了酸中的氢,金属变成金属离子,氢变成了氢气”。以铁来计算,假定船体被溶解掉一立方厘米的铁,那么,会产生多少体积的氢气呢?一立方厘米的铁约为8克,8克铁可以产生约0.3克的氢气,0.3克氢气的体积是3升多,差不多是一只普通气球的大小。由于氢气的存在,船的周边应该有大量的气泡,可惜按照上个视频中来看,溶解速度并没有很快。

补充一个细节,二氧化硫和硫化氢都具有强烈的刺激性,船上的人闻到这个气味的不可能如此淡定,至少要把鼻子捂住。

鸣谢:空错、Topaz

策划/文字编辑:杨杨

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28 Responses to “[电影]《天崩地裂》:别为老祖母担心”

  1. Ent说道:

    给力!电影专题就该是这样的~

  2. 能整二两说道:

    对于酸腐蚀船体产生气泡问题,船的浮力应当与液体密度有关,在产生气泡的时候船体附近因有气泡导致酸密度下降导致船体受到压强下降,最终结果是船下沉。

    不知这样理解是否正确。

    • 浩浩白水说道:

      这个不太可能吧,附在船体的小气泡一样会受到水的浮力,而这个浮力会作用到船身,所以船受到的浮力应该没有多大的变化。

      • 能整二两说道:

        最好的方法就是试验,谁能试验一下?我没有实验条件,最多回去用老妈家的鱼缸试试。

    • ajd说道:

      看过一个纪录片,好像是对百幕大的船沉原因的一种看法:海底有甲烷之类的喷发,升至水面后导致密度下降,使船体沉没。然后里面做了一次实验,用的是橡皮艇,确实沉了,不过当时那个气体那个多啊,目测和倒啤酒的泡沫有一比。

    • 能整二两说道:

      8克铁就能产生3升氢气,船至少也有个百十来斤,气不会少的。

  3. Sheldon说道:

    细节信息太多了,赞!电影编剧看了要吐血了,以后电影没法编了

  4. 白糖糖说道:

    有意思 谢谢

  5. 囧呢森说道:

    咦……不是发过了么……

  6. 意美说道:

    差不错就好了.看电影怎么能这么认真呢?要不然没有乐趣啦.

  7. 拼音佳佳说道:

    根据我对灾难片的理解,导演总是把坏的因素放大100倍...至少100倍...

    1cm的昆虫,长度放大100倍,也就是1米(体积是3次方关系).这还不够恐怖,呵呵...

  8. 房奴老狗说道:

    pH值也可以降到0以下?pH值不是0-14吗?

    • xuan说道:

      酸度最大的东西并不是pH=0的东西,pH=0是指溶液中氢离子浓度为1mol/L,氢离子浓度完全可以更大。

    • 看六界风飘说道:

      高中化学没学好啊,当年不仅要算pH,还有什么pOH、pNa之类的,用的都是同一种计算方法,本人数学苦手,对此表示压力山大……

  9. crispy说道:

    为什么不说亚硫酸会氧化成硫酸?

    • 龙猫说道:

      那是一个非常漫长的过程——漫长到至少没法放进一场电影里。

      另外亚硫酸不是稳定,如果PH值太低的话这玩意就直接分解然后二氧化硫就被释放到空气中去了

  10. 食人鱼说道:

    %#@……@#Y&&%@&&%#&

  11. 食人鱼说道:

    不可能

  12. cqwuqing说道:

    电影就是夸张啊!酸不到那么严重!腐蚀不到那么快的!一点知识、一点情感无限放大!这就是文学、这就是艺术!所以我不喜欢文学的东西一点不严谨!还是要实事求是!要讲科学,讲实际的!!!

  13. 红桃K说道:

    就是看个电影,不要太当真了才好

  14. jatyhu说道:

    就是要挑刺才来松鼠,否则就是电影网站的评论了。。

    同感。。我小的时候经常去老爸老妈的实验室,老妈是医学老爸是化学,他们的实验室里都有很大一缸王水,粉红色的 --- 至于为什么是粉红色,不知道,,可能是溶解在里面的杂质。。 那是用来洗瓶瓶罐罐里不容易清洗的顽垢的。
    随便丢些有机物进去,比如馒头?也不会像电影里那样恐怖地消融,只是有少量气泡、肉眼可见地慢慢变黑,要好久好久之后才会完全消失呢。

  15. jatyhu说道:

    王水(Aqua Regia),又称王酸、硝基盐酸,是一种腐蚀性非常强、冒黄色烟的液体,是硝酸和鹽酸組成的混合物,其中混合比例為1:3(体积比)[1] ,是少数能够溶解金和铂的物质之一。这也是它的名字的来源。 ----- 呵呵,补充一下,省得大家去查~~ 这是比较普遍认为的腐蚀性最强的玩意儿了。。

  16. jatyhu说道:

    再补充:关键是有机物碳化之后,会附着在原有位置,阻止进一步的腐蚀。所以如果是船的话,恐怕即使在王水里,也能支持蛮长时间的。。。只是不知道金属部件是否会迅速消融导致解体。

  17. [...] 如果你也曾为这个情节打动过,那么,敬请期待专题的最后一天,松鼠会将会推出特别节目,听他们通过各自的专业解释—— [...]

  18. 相信科学的兔子君说道:

    ……老祖母跳船那个片段记忆犹新……

  19. Index说道:

    看过这电影。

  20. [...] 如果你也曾为这个情节打动过,那么,敬请期待专题的最后一天,松鼠会将会推出特别节目,听他们通过各自的专业解释—— [...]