如何制造一场惊天动地的闪电？

要了解火山闪电，首先需要清楚闪电的孕育过程。简单的说，我们需要将大气中的颗粒起电，让它们带上正负不同的电荷并彼此分离。当正负两极电荷持续积累并拉开，达到某一极限，就能放电击穿中间的空气。在产生雷暴的积雨云，也就是雷暴云的内部，云朵在不同部分聚集着正电荷和负电荷，当它们积累到一定程度，便再也不顾大气的阻挠，孕育出一道道闪电。这样的闪电被称为“云中闪电”（intra-cloud lightning）。

【左图为云中闪电，我们平时观察到的闪电绝大多数都是这种形式，右图为云地间闪电（cloud-to-ground lightning），它是影响人类生产生活的主要形式，威胁较大。图片来自nasa和wiki commons】

在闪电的形成过程中，水扮演着重要的角色。雷暴起源于温暖的上升气流。随着气流的上升，温度降低，水蒸气会开始凝结，同时释放出大量的热量，加速气流的上升。当温度降到冰点以下，云中的液态水变成冰晶和温度低于0℃时仍不冻结的过冷却水滴，经过摩擦碰撞，产生电荷。在强烈的上升气流中，小的带正电的颗粒升到顶端，大的带负电的颗粒降到底部。正负两极距离拉开，闪电也随之而来[2]。

火山闪电，气象学掐架地质学

产生火山闪电，同样需要电荷的积累与释放。但是，火山喷出的烟流如何能带电？

【从左至右，分别为2010年冰岛埃亚菲亚德拉火山和2011年日本雾岛山新燃岳火山喷发时伴随的闪电场景，当然，这类照片有的可是摄影师通过长时间曝光拍出来的，你可不要指望几秒内就能轻易出现这么多道闪电。图片来自flickr和theatlantic】

从气象学的角度来看，火山喷发出的巨大烟流，同雷暴云十分类似，只不过里面还混杂着火山灰等其他杂质，因此被称为“肮脏的雷暴云”（dirty thunderstorm）。火山喷发时伴随的闪电，可以与雷暴云产生“云中闪电”的方式类比。在火山烟流中，火山灰、岩石碎片和冰晶通过摩擦碰撞，产生电荷，并在重力的作用下分开。由于有水参与其中，这种机制被划分为“湿”的机制。

不过，地质学家更喜欢从火山本身寻找答案。他们认为，火山烟流的电荷，可能是来源于岩石的破碎，火山灰颗粒的摩擦，或者是由岩浆与火山口的摩擦[2]。不管是哪种理论，它们的共同特点是没有冷凝水参与，因此被称为“干”的机制。

【千岛群岛中的萨雷切夫（Sarychev）火山在2009年喷发期间，从国际空间站拍摄到它喷发时形成的“蘑菇状”烟柱，只见蒸汽和烟尘直入云霄。图片来自wiki commons】

干湿结合，让闪电来得更猛烈些吧

要探求火山闪电的具体机制，就必须采用更先进的观测手段。2006年，研究者在喷发中的美国阿拉斯加州奥古斯丁火山（Augustine Volcano）东边，架起了两个无线电观测站。它们能够全方位、高精度地记录闪电产生的电磁脉冲，还原火山闪电的真实情况。观测数据表明，火山闪电分为两个阶段：第一阶段，伴随着火山的喷发，可以侦测到一系列强劲的电磁脉冲和简单的放电。第二阶段，在喷发后约3分钟，又开始出现常规的闪电信号[3]。

研究人员分析，火山闪电可能拥有混合的起电机制。在第一阶段，“干”的机制发挥主要作用，摩擦起电、岩石爆裂等机制，让滚滚浓烟带上电荷。在第二阶段，火山烟流喷上高空，“湿”的机制登场，继续在更高的天空中制造绚丽的火花[4]。

【有研究者将火山闪电划分为火山口放电、近火山口以及火山烟流闪电三种类型，前两种集中在火山口附近，和“干”的机制有关，而烟流闪电则来自“湿”的机制。】

火山烟流，你怎么湿了

不过，火山闪电在干燥的高纬度地区并不罕见[5]，那么根据“湿”的机制，火山烟流中的水又该如何解释呢？这一次，需要地质学来解答。火山喷发的岩浆，除了主要成分硅酸盐，还包括水和二氧化碳、二氧化硫等挥发性成分。统计显示，火山岩浆的水含量一般在3~6%左右。可不要小瞧这么点含水比率，一立方米密度为2.5克/立方厘米，含水4%的岩浆，含水量能达到100千克。在温度为30℃时，这点水就能让4000立方米的热带大气达到饱和[6]。

当岩浆从地下上涌，压力降低，岩浆中的水逸出，变为水蒸气进入火山烟流中。另外，火山上覆盖的冰雪，以及海底火山喷发中汽化的海水，也是水的重要来源。

【夏威夷火山喷发喷出绚丽的岩浆，岩浆是包含各种气体、过热水及蒸汽的硅酸盐熔融体。图片来自wiki commons】

针对火山闪电的气象学和地质学研究还远未结束，最后，来看看2008年智利紫藤火山（Chaiten Volcano）喷发时，闪电给火山烟流披上外套的盛况吧！

参考资料：