火山噴發(fā)是地球上最壯觀的地質(zhì)現(xiàn)象之一，其伴隨的劇烈爆炸、熔巖流動和火山灰噴射無不震撼人心。然而，許多火山噴發(fā)還會伴隨一種令人意想不到的現(xiàn)象——閃電。這種被稱為“火山閃電”的自然現(xiàn)象不僅令人驚嘆，其背后還隱藏著復(fù)雜的物理過程。下面，我們從科學(xué)的角度深入探討火山閃電的成因及其意義。

Fig. 1：2010 年 3 月冰島埃亞菲亞德拉火山爆發(fā)時的紫色紋狀閃電（圖片來自Nationalgeographic)

1. 火山閃電的觀測與特征

1.1歷史記載與現(xiàn)代觀測

火山閃電并非現(xiàn)代才被發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。早在公元79年維蘇威火山噴發(fā)時，羅馬歷史學(xué)家小普林尼就記錄了火山灰云中閃電的壯觀景象。類似的描述也出現(xiàn)在許多古代文獻中。然而，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使我們能夠更加精確地研究這一現(xiàn)象。例如，通過高速攝影、雷達探測以及電磁波監(jiān)測，科學(xué)家們可以捕捉到火山閃電的瞬時形成過程，揭示其形成的物理機制。

1.2火山閃電的分類

根據(jù)閃電發(fā)生的位置和特征，火山閃電可以分為以下幾類：

• 火山口附近的閃電

• 這種閃電發(fā)生在火山口及其周圍，通常由初始噴發(fā)階段產(chǎn)生的大量火山灰顆粒引起。

• 火山灰云中的閃電

  這是最常見的一類閃電，出現(xiàn)在火山噴發(fā)形成的高空火山灰云中。發(fā)生在云內(nèi)和云與云之間的閃電，因為到達不了地面，所以對人類在地面的直接活動影響不大。

• 云地閃電

  這種閃電類似于雷暴云中的閃電，發(fā)生在火山灰云和地面之間，是對人類造成災(zāi)難的主要閃電。全球發(fā)生的云地閃電，大約占全部雷電的20%。在我國中部地區(qū)，夏季頻發(fā)云地閃電1。

Fig. 2：中國每個季節(jié)300公里范圍內(nèi)平均云地閃電密度的空間分布(閃光/平方公里/季節(jié)) (a)春季(3月至5月)，(b)夏季(6月至8月)，(c)秋季(9月至11月)和(d)冬季(12月至2月)

近期，嫦娥五號任務(wù)帶回的月壤樣本與地球巖石的成分相似，這進一步支持了“忒伊亞撞擊假說”，即月球的形成源于與地球的這場劇烈碰撞。

2. 火山閃電的形成機制

火山閃電的形成與火山噴發(fā)過程中火山灰顆粒、電荷分離和電場形成密切相關(guān)。雖然其基本原理與雷暴云中的閃電相似，但火山閃電也具有其獨特的特征。

2.1電荷分離的機制

爆炸性火山噴發(fā)通過巖漿碎裂機制產(chǎn)生火山灰：巖漿從懸浮在液態(tài)硅酸鹽熔體連續(xù)體中的晶體和氣泡轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w顆粒在膨脹的巖漿氣體和夾帶空氣的混合物（即噴發(fā)柱）中的湍流懸浮液。這些顆粒在運動過程中發(fā)生碰撞和摩擦，導(dǎo)致電荷的分離和積累2。

1

摩擦起電（Triboelectrification）

火山灰顆粒之間以及顆粒與氣體分子之間的高速碰撞和摩擦會導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移。通常，較小的顆粒帶負電，而較大的顆粒帶正電。這種現(xiàn)象類似于日常生活中的摩擦起電，例如用毛皮摩擦玻璃棒。

2

破碎起電（Fractocharging）

火山碎屑在劇烈的噴發(fā)過程中會發(fā)生破裂，形成新的表面。新產(chǎn)生的表面因物理化學(xué)特性不同會攜帶不同的電荷。這種機制在火山碎屑密集的區(qū)域尤為重要。

3

感應(yīng)起電（Inductive Charging）

在已有電場的條件下，運動的顆粒會通過感應(yīng)作用獲得電荷。這一過程進一步加劇了火山灰云中電荷的分離。

2.2 電場的形成與放電

隨著火山灰云中電荷的分離和積累，逐漸形成一個強大的電場。當電場強度超過空氣的擊穿強度（通常為300萬伏/米）時，就會發(fā)生放電現(xiàn)象，產(chǎn)生閃電。這種放電可以是云內(nèi)放電，也可以是云與地面之間的放電3。

與此同時，大氣條件也對電荷分布起著重要作用。例如，當大氣臨界等溫線的高度接近-20°C時，氣象雷云中的電荷分布會更加顯著。一般來說，雷云在該等溫線以上帶正電，低于該等溫線帶負電4。這些機制共同決定了火山灰云中的放電行為。

Fig. 3： -20°C 等溫線高度的時間變化以及每 6 小時的閃電計數(shù)4

2.3 火山氣體的影響

火山噴發(fā)過程中釋放的大量氣體（如水蒸氣、二氧化硫和氯化氫）也會對閃電的形成產(chǎn)生影響。這些氣體不僅為電荷分離提供了良好的介質(zhì)，還可能通過化學(xué)反應(yīng)改變火山灰顆粒的表面電荷性質(zhì)，從而影響電場的強度和分布。

3. 火山閃電與普通閃電的區(qū)別

盡管火山閃電和雷暴云中的閃電有許多相似之處，但它們之間也存在顯著差異：

• 形成原因

  雷暴閃電主要由水滴、冰晶和氣流的相互作用引發(fā)，而火山閃電則源于火山灰、氣體和碎屑的劇烈運動。

• 時間與持續(xù)性

  火山閃電通常發(fā)生在噴發(fā)初期，頻率較高但持續(xù)時間較短。

• 化學(xué)成分的影響

  火山灰中的硫化物和其他化學(xué)物質(zhì)可能改變閃電的能量和顏色，形成更加獨特的放電特征。

結(jié)尾

火山閃電是自然界中一種壯觀而復(fù)雜的現(xiàn)象，其背后涉及到顆粒物理、化學(xué)反應(yīng)和電磁學(xué)等多學(xué)科的交叉研究。通過對火山閃電的深入研究，科學(xué)家不僅揭示了火山噴發(fā)中的物理機制，還為火山災(zāi)害的監(jiān)測與預(yù)警提供了新的思路。未來，隨著觀測技術(shù)和研究方法的不斷進步，我們有望更全面地揭開火山閃電的奧秘，為科學(xué)和社會發(fā)展做出更大貢獻。

End

參考文獻

1. Yang X, Sun J, Li W. An analysis of cloud-to-ground lightning in China during 2010–13. Weather and Forecasting 2015; 30(6): 1537-50.

2. Cimarelli C, Genareau K. A review of volcanic electrification of the atmosphere and volcanic lightning. Journal of Volcanology and Geothermal Research 2022; 422: 107449.

3. Cimarelli C, Alatorre-Ibargüengoitia M, Kueppers U, Scheu B, Dingwell DB. Experimental generation of volcanic lightning. Geology 2014; 42(1): 79-82.

4. Arason P, Bennett AJ, Burgin LE. Charge mechanism of volcanic lightning revealed during the 2010 eruption of Eyjafjallaj?kull. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 2011; 116(B9).

來源：石頭科普工作室

原標題：當火山化身掌管閃電的神：噴發(fā)時會伴隨閃電？

編輯：Decoherence

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