火山喷发为什么会有闪电？

还记得那些曾在网络上疯狂转发的火山喷发照片吗？从冰岛到美国，从日本到智利，火山喷发常常引来各色华丽的闪电出没，这些炼狱般的景象，是最令人不可思议的自然现象之一。

【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。图片来自flickr和theatlantic】

很早以前，人们就已经注意到火山喷发时常伴随的剧烈闪电活动，这一现象被称为“火山闪电”（volcanic lightning）。罗马学者小普林尼在给历史学家塔西佗的一封信中，就提到了公元79年掩埋庞贝古城的维苏威火山（Mount Vesuvius）爆发时的情形：“在我们身后是令人恐惧的乌云，被纠缠翻滚的闪电撕裂，显露出巨大的火焰形象”[1]。不过，由于缺乏可靠安全的观测手段，火山闪电的研究一直不愠不火。直到近十年，人们才逐渐对这种自然奇观有更深入的了解。

闪电的前世今生

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）。

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？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产生[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。

而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。

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[4]。】

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？原来，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。

地质学与气象学联手，对这一问题做出初步了解答。不过，火山闪电的许多方面还有待深入挖掘。例如，不同的岩浆成分，是否会影响闪电？火山与闪电的联系，能否帮助预测火山活动？这门交叉学科，需要多领域的研究者共同努力。最后，来看看2008年智利紫藤火山（Chaiten Volcano）喷发时的情形吧！闪电聚集在火山烟流的外周，就像给它披上一件“电光石火”的外套。

参考资料

[1]PlinyLetters to Tacitus on Vesuvius Eruption

http://www.smatch-

[2]BradleyM. Muller. Flash and Fire: Pioneering Research into the Volcanic LightningPhenomenon, Weatherwise, 64:1, 12-21, 2011.

[3]ThomasRJ, et al.. Electrical activity during the 2006 Mount St. Augustine volcaniceruptions. Science 315:1097, 2007.

[4]Thomas,R.J., S.R. McNutt, P. Krehbiel, W. Rison, G. Aulich, H. Edens, G. Tytgat , andE. Clark. Lightning and Electrical Activity During the Eruptions of AugustineVolcano. USGS Prof. Paper 1769, p. 579-608, 2010.

[5]McNutt,S.R. and E.R. Williams, Volcanic Lightning: Global observations and constraintson source mechanisms. Bull. Volcanol., Appendix, 2010.

[6]Williams,E.R. and S.R. McNutt. Total water contents in volcanic eruption clouds andimplications for electrification and lightning. Proceedings of the 2ndInternational Conference on Volcanic Ash and Aviation Safety, U.S. Dept. ofCommerce, NOAA, section 2, p. 67-71, 2004.

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