引言：1986年8月21日，晚上9点30分。喀麦隆西北高原的雨季正走到一半。
白天的雷雨已经停了，海拔1091米的尼奥斯湖（Lake Nyos）恢复了它一贯的样子：水面几乎没有波纹，湖岸的陡崖倒映在水里，安静得像一口井。
住在湖下游的人正在吃晚饭，尼奥斯（Nyos）、查（Cha）、苏布姆（Subum）……这些村子散落在火山口北侧的山谷里，茅草屋顶下点着煤油灯。
9点30分前后，一连串低沉的轰响从湖的方向传来，前后持续了15到20秒。
有人从屋里走出来，感到一阵热意，空气中混杂着臭鸡蛋与火药般的刺鼻气味，随即人们便失去了意识。
次日清晨，山谷里听不到一声鸟叫，也没有一丝虫鸣。油灯里还盛着油，火焰却早已熄灭。
牛群倒毙在原地保持着僵立的姿态，屋里的人要么仍维持着睡姿，要么保持着猝然倒下的姿势。
根据喀麦隆官方最终统计，这一夜共造成 1746 人死亡，另有3000多头牲畜丧生，受灾面积约29平方公里，凶手最远扩散至湖泊以北10公里处。
这是一场寂静的灾难。
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一、死亡来临的夜晚
尼奥斯湖在喀麦隆西北大区，距首都雅温得约310公里，坐落在奥库火山场（Oku Volcanic Field）的一侧，属于纵贯喀麦隆西部的喀麦隆火山线（Cameroon Volcanic Line）。
湖面海拔1091米，湖体最大长度约1.9公里，最大宽度约1.2公里，面积1.58平方公里；平均水深111.7米，最深处208米（不同测量记为210米），水体总量约0.177立方公里。
这是一座典型的玛珥湖（maar）——由岩浆与地下水相遇引发的蒸汽爆炸塑造而成，如同凹陷的碗状火山口，底部积水成湖。
美国地质调查局（USGS）1987年的报告显示：这个火山口由数百年前的一次猛烈爆炸形成。
（NASA在2014年的一篇图文资料提到，地质学界普遍认为其形成时间约为400年前。）
湖底之下，深部岩浆释放的二氧化碳顺着裂隙和泉水缓慢向上迁移，溶进湖底的水里。
据人类学家尤金妮亚·尚克林（Eugenia Shanklin）的记录显示，湖区周边聚居着两群居民。巴夫门人 (Bafmen) 的村落建在山脊高地；20世纪六七十年代迁居至此的富拉尼 (Fulani) 牧民，则将房屋建在海拔更低、更靠近草场的山谷地带，两地居所存在明显的海拔差。
8月21日白天，当地遭遇雷雨天气。到晚上9点半，雨势停歇，气温转凉，大多数村民正待在家中吃饭、闲谈，或是已经躺下休息。
变故从一阵低沉的轰响开始，紧接着，一团白雾从湖面升腾而起。
据USGS对幸存者的访谈，受访的尼奥斯居民中，约有半数闻到了类似臭鸡蛋混着火药的气味，随即出现眼睛灼痛、呼吸困难的症状，很快便倒地失去意识；另一半人没有察觉到任何异味，只感到疲惫、头晕、身体发热、意识恍惚，随即陷入昏迷，还有不少人在睡梦中再也没有醒来。
一位当时站在湖区高处的目击者回忆说，他先是听见湖面传来冒泡的声响，走到视野开阔处后，看到一团白雾从湖面升起，同时一道大浪拍向南岸。而身处山谷中的所有幸存者，没有一个人亲眼看见那团致命的白雾。
他们醒来时，已经是6到36小时之后。
很多人醒来后发现，床边的油灯里还剩满盏的油，火焰却早已熄灭。灯不是被风吹灭的，是周围空气里的氧气被彻底置换了。而他们身边的家人、屋外的牲畜，早已失去生命迹象。
这次伤亡的分布极不均匀，USGS的现场记录显示，尼奥斯村一处羊圈里的五只山羊死了四只，隔壁一户九口之家则有四人幸存。海拔低处的牛群成片倒毙，高处的牛只还在正常吃草。
小型动物部分死亡、部分存活，鸟类与昆虫的数量在至少48小时内显著减少，唯有植物几乎没有受到任何影响。
现场没有挣扎的痕迹，没有翻倒的家具，也找不到搏斗的迹象。
瑞士传教航空机构Helimission的飞行员于23日清晨飞抵灾区，他们看到的死者大多还盖着被子躺在床上，死在屋外的人则保持着猝然倒下的姿态。牲畜成群地死在原地，没有四散奔逃的痕迹。
灾后第一批现场照片里，房屋完好无损，屋内的家什摆放整齐，牲口棚也结构完整。唯有人类与牲畜的躯体，整片整片地倒在了沉寂的山谷里。
二、尼奥斯湖的奇异水体结构
下面进入正题，要理解这场灾难的成因，得先从尼奥斯湖的分层水体结构说起。
尼奥斯湖的水体并非上下均匀混合，而是呈现出清晰的分层状态：
湖面以下约50米为表层混合层，由雨水与溪流补给，水温随季节波动，水体含氧量充足；
再向下水温常年维持低温状态，水体密度显著升高；
至120米深度以下，是几乎不参与年度水体循环的深水层。法国、日本与喀麦隆的联合科考团队将这一底层水体命名为单对流层(monimolimnion)。
分隔上下两层水体的，是一道密度跃变层。它是一层柔韧的隔膜，有点像密封盖。
大多数温带湖泊每年都会完成一次完整的湖泊翻转。冬季表层水冷却后密度增大下沉，带动整个水柱上下混合，同时将底层积攒的气体释放到空气中。
尼奥斯湖却不具备这样的自然循环条件。它地处低纬靠近赤道，全年季节温差极小，难以驱动表层水下沉；同时湖底持续有富含碳酸盐的泉水补给，溶解的二氧化碳会进一步增大深层水体的密度。这道密度跃层的密封效果，因此一年比一年稳固。
密封盖之下，溶解的二氧化碳也在年复一年地累积。
这些二氧化碳源自地球深部的地幔。根据NASA的观测资料，尼奥斯湖下方约80公里处存在一个岩浆囊。喀麦隆火山带下方的岩浆在深部仅发生极低程度的部分熔融，这一条件下，地幔中的碳酸盐矿物会快速分解，将碳元素融入岩浆熔体。随着岩浆上升、压力降低，二氧化碳从岩浆中析出，伴随地下水一同渗入湖底水体。
湖水深度越大，水体压力越高，能够溶解的气体量也就越多。208米的最大水深，相当于约20个标准大气压的压力。二氧化碳被高压封存在深层水体中，无色无味无迹可寻，整座湖就像一瓶摇匀的冰阔落。
2001年排气工程启动前，科学家测得湖底水体总气压达15.6巴，气体饱和度约为73%。
巴（bar）是压强单位：1巴=100千帕≈1个海平面大气压。
USGS1987年基于灾前水体接近饱和的前提推算，这座湖最多可溶解1.5立方公里的二氧化碳，灾难当晚释放的气体量约为1.0立方公里。
这也解释了灾难过后湖面下降近90厘米的现象，水中溶解的大量气体逸出，导致水体体积收缩，水面随之沉降。
其实，对于灾难释放气体量的具体数值，学界至今尚未形成统一结论。后续研究者测算的下限低至0.2立方公里，甚至仅有0.08立方公里。不同团队分别基于水体饱和度推算、受灾区域气团体积反推等不同方法，得出的结果相差可达一个数量级。
我们只能确定，那天夜里，封住气体的密度跃层被彻底冲破了，就像突然拧开的可乐瓶彻底绷不住了。
三、湖沼喷发
至于密度跃层为何会被冲破，仍没有定论。
USGS在1987年的报告里列举了数种可能诱因：湖岸滑坡、地震、冷雨水灌入、湖内波扰动。调查队曾在湖西侧陡坡上发现一小片新鲜滑坡痕迹，但无法判定它发生在灾难之前、之中还是之后。
触发这场灾难并不需要剧烈的外力，只要一小团底层水体受扰动上移，越过临界深度即可。
压力一旦降低，水中溶解的二氧化碳便开始析出形成气泡。气泡让水体密度降低、变得更轻，进而带动水体持续上升；上升过程中水压进一步下降，更多气体析出，催生更多气泡。
这是一个不断自我强化的正反馈过程：气泡托举水体上升，上升的水体释放更多气体，气体又持续生成新的气泡。
这一现象被称为湖沼喷发(limniceruption)。迄今为止，得到科学确认的湖沼喷发仅发生过两次，分别是1984年的莫瑙恩湖(LakeMonoun)事件与本次发生在1986年的尼奥斯湖事件。当地传说中还有至少三次类似事件，但都没有留下可验证的观测记录。
那一夜，湖底的二氧化碳几乎在瞬间从水体中沸腾涌出。大量气体上升膨胀，将上层水体整层顶起；湖面剧烈翻涌，水浪拍向南岸，最高爬升高度约25米；一道6米高的水浪越过北端的溢流口；西南岸一块80米高的岩岬上，甚至溅上了湖水飞沫。
湖水的颜色也随之改变，原本澄澈的深蓝湖面，变成了浑浊的铁锈红色。
真正造成毁灭性伤亡的，还是紧随其后涌出的二氧化碳。
纯二氧化碳在同等条件下的密度约为空气的1.54倍。从水中析出时，气体因剧烈膨胀吸收热量，形成的气团温度低、重量大，如同干冰雾气一般贴着地表流动。它先填满整个湖盆，水位升至火山口边缘以上约100米后，便翻过山口，顺着山谷向下倾泻，涌入村落、河谷与所有低洼地带。
NASA的资料记载，气团的流动速度可达每小时100公里以上。
气团前端会形成一道厚重浓密的气头。推进过程中，后方流速更快的气流不断补充气头，使其始终维持最高浓度；气团所经之处，原有空气被整体置换。树林、灌木丛、室内封闭空间、地形凹陷处，都会残留高浓度气团，长时间难以消散。
人吸入的并非传统意义上的毒气，而是被二氧化碳置换后失去氧气的空气。
当二氧化碳浓度升到8%到10%，人会在几次呼吸之内倒下。USGS的法医病理结论十分明确地指出；死者死于二氧化碳窒息，高浓度二氧化碳取代了空气中的氧气，同时麻痹脑干的呼吸中枢。受害者会如同被抽走力气一般骤然倒下，不会感受到常规窒息的痛苦。
这也正是许多人是死在床上、姿势毫无变化，油灯满油熄灭，且牛群成片僵立原地、没有四散奔逃的原因。
幸存下来的人，大多身处海拔较高的位置，或是睡在建筑的二楼。
苏布姆村有一栋产科诊所，是全镇唯一的两层建筑。灾难当晚，住在二楼的产妇与新生儿全部生还。
谁能想到一层楼的高度，就是生与死的分界线。
四、尸检报告
灾难发生后的头几天，没有人知道凶手是谁。
坊间与官方初期的种种猜想，几乎全部偏离了真相。
有人归因于火山喷发，但湖岸的林木没有被高温烧焦，房屋没有被火山灰压塌，湖水温度也没有出现异常升高。有人怀疑是硫化氢中毒，幸存者描述的臭鸡蛋气味与硫化氢特征高度吻合，但检测显示湖水与沉积物中的硫含量极低，尸检毒理学分析也未检出硫化物成分。
事发后一段时间里，说法从瘟疫、人为投毒蔓延到湖神发怒，各种猜测层出不穷。
而在1984年莫瑙恩湖事件发生后，喀麦隆政府也曾一度怀疑是恐怖袭击，对相关消息做了封锁处理。
解开谜题的关键线索，其实早在两年前就已经出现过。
1984年8月15日，位于尼奥斯湖东南方向约95公里处的莫瑙恩湖，曾在清晨释放出一团气团，沿着湖边公路贴地扩散，造成37人死亡。
幸存者回忆，那股气体闻起来像汽车电瓶液，走入气团范围后便会头晕、恶心、四肢发软。冰岛火山学家哈拉尔杜尔・西古德松(HaraldurSigurdsson)赶赴莫瑙恩湖调查，从深水层提取的水样刚提出水面便剧烈冒泡，水中的二氧化碳早已达到饱和状态。他由此提出结论：这不是火山喷发，是湖底溶解的二氧化碳突然集中释放。
莫瑙恩湖事件的死亡数字停留在37人。仅仅两年后，同样的灾难在尼奥斯湖重演，死亡规模达到了前者的四十余倍。
1986年8月27日，一支由地质学家、法医病理学家、水化学家、湖泊学家和临床医生组成的美国科考队抵达雅温得，随后深入湖区开展调查，团队成员包括湖泊学家乔治・W・克林(GeorgeW.Kling)。
他们从200米深处采集的水样刚被提至水面，便出现剧烈的喷气现象；化验结果证实，湖底气体的绝对主体为二氧化碳，仅含有少量氩气等微量成分。
但法医团队面对的，是一个几乎缺乏直接证据的现场。
1500到2000具遇难者遗体在酷热天气下被迅速就地掩埋，绝大多数都未接受尸检。
仅有一名30岁男性在送医两天后离世，遗体得以保存并解剖，结果显示死因为双侧肺炎，是窒息引发的并发症，而非直接中毒。另有三名死者的组织样本接受了毒理学检测，氰化物、一氧化碳、硫化物结果均为阴性。
死者体表没有烧伤痕迹，身上出现的类似灼伤的皮损也经不起病理推敲：病灶边界清晰，中央组织坏死，周围没有化学烧伤常见的红晕，且大多只分布在身体单侧、覆盖于骨骼突出的部位。法医最终判定，这些损伤属于压迫性褥疮，是伤者长时间昏迷、静止不动时，皮肤被自身体重压坏形成的。
而幸存者普遍提及的臭鸡蛋气味，后来也被认定为一种嗅觉幻觉。高浓度二氧化碳会损伤嗅觉神经，让大脑凭空生成一种熟悉的气味感知。在完整的毒理学检测中，始终没有检出硫化氢成分。
至此，整条灾难因果链似乎已经完成闭合。
地幔脱气释放二氧化碳，气体在湖底高压水体中持续累积，水体分层结构锁住了气体，一次偶然的扰动打破分层、掀动水柱，高密度气团顺着山谷贴地下泄，最终造成大范围缺氧窒息。
五、从神罚到科学
虽说灾难落幕了，但尼奥斯湖并未就此变得安全。
湖底的二氧化碳仍在持续上涌补给。科学家估算，尼奥斯湖的二氧化碳年补给量在600万至4400万立方米之间，不同研究的结果差异显著；到2001年正式启动排气工程前，湖内的气体含量已再次回升至危险阈值。这意味着只要水体分层的密封层再被打破一次，同一场灾难就会再来一次。
1995年，法国工程师米歇尔·阿尔布瓦克斯（Michel Halbwachs）将一根直径140毫米的管道投入湖区试验。管道直通湖底深水层，初始抽吸后，含气水体在上升过程中随水压降低不断析出二氧化碳，气泡裹挟着水体持续向上喷涌。甚至不需要泵和电，只要一次启动，便可依靠气举效应持续自循环运行。
气举效应：向液体中注入气体形成气泡，降低混合流体密度，使其在压差作用下上升并被举升或喷出的现象。
首次试验中，水柱喷涌高度达到21米。
2001年1月，首根永久排气管道在湖心安装投用，喷涌的水柱最高可达46米。
2011年，湖区又增设两根管径更大的管道C1、C2。
2013年5月30日，整套排气系统正式移交喀麦隆政府运维。
截至2019年，研究人员评估认为，尼奥斯湖内具有危险性的溶解二氧化碳已基本被排除。
2011年至2019年间，三根管道累计向大气排放约1.65亿立方米二氧化碳，同步抽出的水体约8200万立方米，接近尼奥斯湖总水体量的一半。
这套系统的原理本质上是将灾难性喷发转化为可控的慢速释放：让溶解的气体在人工调控下逐步析出，而非在一夜之间集中爆发。
参与早期论证的英国地质学家萨姆·弗里思（Sam Freeth）曾经还担心，将大量深层冷水抽至表层，可能破坏湖水的分层结构，反而诱发新的喷发；法国原子能委员会的工程师让-克里斯托夫·萨布鲁（Jean-Christophe Sabroux）则认为，1995年试验和此前的计算均证实风险可控，先投用单根管道并辅以严密监测，是当时最务实的解决方案。
除此之外，在湖岸还有一个不小的隐患。
前面我们提到过，尼奥斯湖北端有一个天然溢流口，由松散的火山碎屑堆成，像一道天然的土坝，如今已遭受严重侵蚀。地质学家担心，这道坝体一旦溃决，湖水会顺着山谷冲下去，下游的尼奥斯村、苏布姆都可能遭遇洪灾；倘若溃决发生在排气工程完工前，湖面快速下降还可能诱发新一轮湖沼喷发。
灾难过后，湖区居民被整体搬迁，多数人安置在距离湖区约25公里的安置营地。故土仅一山之隔，山谷长期处于封禁状态。据灾后三十年的回访报道，当年承诺的赔偿安置方案，始终未能完全落实。
时至今日，仍有约1万人居住在湖区周边。这片区域土壤肥沃，即便经历过惨烈灾难，依然有民众选择重返故土定居。
尼奥斯湖并非唯一存在此类风险的湖泊。
向东望去，刚果(金)与卢旺达交界的基伍湖(LakeKivu)，湖底溶解了约300立方千米二氧化碳与60立方千米甲烷，湖滨居住着约200万人口。
若以尼奥斯湖的最大溶解量推算，基伍湖的二氧化碳储量约为前者的200倍。卢旺达已与能源企业合作，在湖面搭建抽气平台，分离甲烷用于发电，这是全球范围内少见的将灾害治理转化为能源产业的案例。
六、总结一下
1986年8月21日的尼奥斯湖，是科学界第一次以多学科团队完整调查的大型湖沼喷发。
湖底蓄积的二氧化碳集中释放，无声夺走1746人的生命。后续人类最终探明了湖底二氧化碳蓄积与释放的物理机制，并以此为基础设计出自循环排气装置，通过持续可控的气体缓释，从根源上化解了灾害复发的风险。
熟悉本频道的读者不难发现，之前写过的许多看似离奇莫测的自然现象，背后都遵循着可被认知的客观规律。对世界运行本质的探索每前进一步，人类应对未知风险的能力就增强一分。
本期话题：科学就是整理事实，以便从中得出普遍的规律和结论。
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参考文献：
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