火山喷发是地球上最壮观的地质现象之一，其伴随的剧烈爆炸、熔岩流动和火山灰喷射无不震撼人心。然而，许多火山喷发还会伴随一种令人意想不到的现象——闪电。这种被称为“火山闪电”的自然现象不仅令人惊叹，其背后还隐藏着复杂的物理过程。下面，我们从科学的角度深入探讨火山闪电的成因及其意义。
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Fig. 1：2010 年 3 月冰岛埃亚菲亚德拉火山爆发时的紫色纹状闪电（图片来自Nationalgeographic)
1. 火山闪电的观测与特征
1.1历史记载与现代观测
火山闪电并非现代才被发现的现象。早在公元79年维苏威火山喷发时，罗马历史学家小普林尼就记录了火山灰云中闪电的壮观景象。类似的描述也出现在许多古代文献中。然而，现代科学技术的发展使我们能够更加精确地研究这一现象。例如，通过高速摄影、雷达探测以及电磁波监测，科学家们可以捕捉到火山闪电的瞬时形成过程，揭示其形成的物理机制。
1.2火山闪电的分类
根据闪电发生的位置和特征，火山闪电可以分为以下几类：
火山口附近的闪电
这种闪电发生在火山口及其周围，通常由初始喷发阶段产生的大量火山灰颗粒引起。
火山灰云中的闪电
这是最常见的一类闪电，出现在火山喷发形成的高空火山灰云中。发生在云内和云与云之间的闪电，因为到达不了地面，所以对人类在地面的直接活动影响不大。
云地闪电
这种闪电类似于雷暴云中的闪电，发生在火山灰云和地面之间，是对人类造成灾难的主要闪电。全球发生的云地闪电，大约占全部雷电的20%。在我国中部地区，夏季频发云地闪电1。
Fig. 2：中国每个季节300公里范围内平均云地闪电密度的空间分布(闪光/平方公里/季节) (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，嫦娥五号任务带回的月壤样本与地球岩石的成分相似，这进一步支持了“忒伊亚撞击假说”，即月球的形成源于与地球的这场剧烈碰撞。
2. 火山闪电的形成机制
火山闪电的形成与火山喷发过程中火山灰颗粒、电荷分离和电场形成密切相关。虽然其基本原理与雷暴云中的闪电相似，但火山闪电也具有其独特的特征。
2.1电荷分离的机制
爆炸性火山喷发通过岩浆碎裂机制产生火山灰：岩浆从悬浮在液态硅酸盐熔体连续体中的晶体和气泡转变为固体颗粒在膨胀的岩浆气体和夹带空气的混合物（即喷发柱）中的湍流悬浮液。这些颗粒在运动过程中发生碰撞和摩擦，导致电荷的分离和积累2。
1
摩擦起电（Triboelectrification）
火山灰颗粒之间以及颗粒与气体分子之间的高速碰撞和摩擦会导致电荷转移。通常，较小的颗粒带负电，而较大的颗粒带正电。这种现象类似于日常生活中的摩擦起电，例如用毛皮摩擦玻璃棒。
2
破碎起电（Fractocharging）
火山碎屑在剧烈的喷发过程中会发生破裂，形成新的表面。新产生的表面因物理化学特性不同会携带不同的电荷。这种机制在火山碎屑密集的区域尤为重要。
3
感应起电（Inductive Charging）
在已有电场的条件下，运动的颗粒会通过感应作用获得电荷。这一过程进一步加剧了火山灰云中电荷的分离。
2.2 电场的形成与放电
随着火山灰云中电荷的分离和积累，逐渐形成一个强大的电场。当电场强度超过空气的击穿强度（通常为300万伏/米）时，就会发生放电现象，产生闪电。这种放电可以是云内放电，也可以是云与地面之间的放电3。
与此同时，大气条件也对电荷分布起着重要作用。例如，当大气临界等温线的高度接近-20°C时，气象雷云中的电荷分布会更加显著。一般来说，雷云在该等温线以上带正电，低于该等温线带负电4。这些机制共同决定了火山灰云中的放电行为。
Fig. 3： -20°C 等温线高度的时间变化以及每 6 小时的闪电计数4
2.3 火山气体的影响
火山喷发过程中释放的大量气体（如水蒸气、二氧化硫和氯化氢）也会对闪电的形成产生影响。这些气体不仅为电荷分离提供了良好的介质，还可能通过化学反应改变火山灰颗粒的表面电荷性质，从而影响电场的强度和分布。
3. 火山闪电与普通闪电的区别
尽管火山闪电和雷暴云中的闪电有许多相似之处，但它们之间也存在显著差异：
形成原因
雷暴闪电主要由水滴、冰晶和气流的相互作用引发，而火山闪电则源于火山灰、气体和碎屑的剧烈运动。
时间与持续性
火山闪电通常发生在喷发初期，频率较高但持续时间较短。
化学成分的影响
火山灰中的硫化物和其他化学物质可能改变闪电的能量和颜色，形成更加独特的放电特征。
结尾
火山闪电是自然界中一种壮观而复杂的现象，其背后涉及到颗粒物理、化学反应和电磁学等多学科的交叉研究。通过对火山闪电的深入研究，科学家不仅揭示了火山喷发中的物理机制，还为火山灾害的监测与预警提供了新的思路。未来，随着观测技术和研究方法的不断进步，我们有望更全面地揭开火山闪电的奥秘，为科学和社会发展做出更大贡献。
End
参考文献
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 Eyjafjallajökull. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 2011; 116(B9).
来源：石头科普工作室
原标题：当火山化身掌管闪电的神：喷发时会伴随闪电？
编辑：Decoherence
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