火山爆發(fā)時會射出閃電

意大利埃特納火山近日再度發(fā)生噴發(fā)，攝影師和火山愛好者們有幸又能奔向火山口附近，觀察熔巖從裂縫中噴涌而出的壯觀場景。比這一幕更遙遠的是，盛怒的火山噴射出巖漿和濃煙，猙獰的閃電在空中叫囂。這不是世界末日，也不是天幕中上演的IMAX電影，而是天空和大地的一次聯(lián)袂演出——火山閃電。

很早以前，人們就已經(jīng)注意到火山噴發(fā)時常伴隨的劇烈閃電活動，這一現(xiàn)象被稱為“火山閃電”(volcanic lightning)。羅馬學者小普林尼在給歷史學家塔西佗的一封信中，就提到了公元79年掩埋龐貝古城的維蘇威火山(Mount Vesuvius)爆發(fā)時的情形，“在我們身后是令人恐懼的烏云，被糾纏翻滾的閃電撕裂，顯露出巨大的火焰形象”[1]。不過，由于缺乏可靠安全的觀測手段，火山閃電的研究一直不慍不火。直到近十年，人們才逐漸對這種自然奇觀有更深入的了解。

如何制造一場驚天動地的閃電?

要了解火山閃電，首先需要清楚閃電的孕育過程。簡單的說，我們需要將大氣中的顆粒起電，讓它們帶上正負不同的電荷并彼此分離。當正負兩極電荷持續(xù)積累并拉開，達到某一極限，就能放電擊穿中間的空氣。在產(chǎn)生雷暴的積雨云，也就是雷暴云的內(nèi)部，云朵在不同部分聚集著正電荷和負電荷，當它們積累到一定程度，便再也不顧大氣的阻撓，孕育出一道道閃電。這樣的閃電被稱為“云中閃電”(intra-cloud lightning)。

在閃電的形成過程中，水扮演著重要的角色。雷暴起源于溫暖的上升氣流。隨著氣流的上升，溫度降低，水蒸氣會開始凝結(jié)，同時釋放出大量的熱量，加速氣流的上升。當溫度降到冰點以下，云中的液態(tài)水變成冰晶和溫度低于0℃時仍不凍結(jié)的過冷卻水滴，經(jīng)過摩擦碰撞，產(chǎn)生電荷。在強烈的上升氣流中，小的帶正電的顆粒升到頂端，大的帶負電的顆粒降到底部。正負兩極距離拉開，閃電也隨之而來。

火山閃電，氣象學掐架地質(zhì)學

　　產(chǎn)生火山閃電，同樣需要電荷的積累與釋放。但是，火山噴出的煙流如何能帶電?

從氣象學的角度來看，火山噴發(fā)出的巨大煙流，同雷暴云十分類似，只不過里面還混雜著火山灰等其他雜質(zhì)，因此被稱為“骯臟的雷暴云”(dirty thunderstorm)?；鹕絿姲l(fā)時伴隨的閃電，可以與雷暴云產(chǎn)生“云中閃電”的方式類比。在火山煙流中，火山灰、巖石碎片和冰晶通過摩擦碰撞，產(chǎn)生電荷，并在重力的作用下分開。由于有水參與其中，這種機制被劃分為“濕”的機制。

不過，地質(zhì)學家更喜歡從火山本身尋找答案。他們認為，火山煙流的電荷，可能是來源于巖石的破碎，火山灰顆粒的摩擦，或者是由巖漿與火山口的摩擦。不管是哪種理論，它們的共同特點是沒有冷凝水參與，因此被稱為“干”的機制。

干濕結(jié)合，讓閃電來得更猛烈些吧

要探求火山閃電的具體機制，就必須采用更先進的觀測手段。2006年，研究者在噴發(fā)中的美國阿拉斯加州奧古斯丁火山(Augustine Volcano)東邊，架起了兩個無線電觀測站。它們能夠全方位、高精度地記錄閃電產(chǎn)生的電磁脈沖，還原火山閃電的真實情況。觀測數(shù)據(jù)表明，火山閃電分為兩個階段：第一階段，伴隨著火山的噴發(fā)，可以偵測到一系列強勁的電磁脈沖和簡單的放電。第二階段，在噴發(fā)后約3分鐘，又開始出現(xiàn)常規(guī)的閃電信號。

研究人員分析，火山閃電可能擁有混合的起電機制。在第一階段，“干”的機制發(fā)揮主要作用，摩擦起電、巖石爆裂等機制，讓滾滾濃煙帶上電荷。在第二階段，火山煙流噴上高空，“濕”的機制登場，繼續(xù)在更高的天空中制造絢麗的火花。

火山煙流，你怎么濕了

不過，火山閃電在干燥的高緯度地區(qū)并不罕見[5]，那么根據(jù)“濕”的機制，火山煙流中的水又該如何解釋呢?這一次，需要地質(zhì)學來解答?；鹕絿姲l(fā)的巖漿，除了主要成分硅酸鹽，還包括水和二氧化碳、二氧化硫等揮發(fā)性成分。統(tǒng)計顯示，火山巖漿的水含量一般在3~6%左右?？刹灰∏七@么點含水比率，一立方米密度為2.5克/立方厘米，含水4%的巖漿，含水量能達到100千克。在溫度為30℃時，這點水就能讓4000立方米的熱帶大氣達到飽和[6]。

當巖漿從地下上涌，壓力降低，巖漿中的水逸出，變?yōu)樗魵膺M入火山煙流中。另外，火山上覆蓋的冰雪，以及海底火山噴發(fā)中汽化的海水，也是水的重要來源。