火山噴發是地球上最壯觀的地質現象之一，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，許多火山噴發還會伴隨一種令人意想不到的現象——閃電。這種被稱為“火山閃電”的自然現象不僅令人驚嘆，其背后還隱藏著復雜的物理過程。下面，我們從科學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歷史記載與現代觀測

火山閃電并非現代才被發現的現象。早在公元79年維蘇威火山噴發時，羅馬歷史學家小普林尼就記錄了火山灰云中閃電的壯觀景象。類似的描述也出現在許多古代文獻中。然而，現代科學技術的發展使我們能夠更加精確地研究這一現象。例如，通過高速攝影、雷達探測以及電磁波監測，科學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

根據閃電發生的位置和特征，火山閃電可以分為以下幾類：

• 火山口附近的閃電

• 這種閃電發生在火山口及其周圍，通常由初始噴發階段產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，出現在火山噴發形成的高空火山灰云中。發生在云內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，發生在火山灰云和地面之間，是對人類造成災難的主要閃電。全球發生的云地閃電，大約占全部雷電的20%。在我國中部地區，夏季頻發云地閃電1。

Fig. 2：中國每個季節300公里范圍內平均云地閃電密度的空間分布(閃光/平方公里/季節) (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過程中火山灰顆粒、電荷分離和電場形成密切相關。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

爆炸性火山噴發通過巖漿碎裂機制產生火山灰：巖漿從懸浮在液態硅酸鹽熔體連續體中的晶體和氣泡轉變為固體顆粒在膨脹的巖漿氣體和夾帶空氣的混合物（即噴發柱）中的湍流懸浮液。這些顆粒在運動過程中發生碰撞和摩擦，導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致電荷轉移。通常，較小的顆粒帶負電，而較大的顆粒帶正電。這種現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過程中會發生破裂，形成新的表面。新產生的表面因物理化學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域尤為重要。

3

感應起電（Inductive Charging）

在已有電場的條件下，運動的顆粒會通過感應作用獲得電荷。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，就會發生放電現象，產生閃電。這種放電可以是云內放電，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4

2.3 火山氣體的影響

火山噴發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生影響。這些氣體不僅為電荷分離提供了良好的介質，還可能通過化學反應改變火山灰顆粒的表面電荷性質，從而影響電場的強度和分布。

3. 火山閃電與普通閃電的區別

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，而火山閃電則源于火山灰、氣體和碎屑的劇烈運動。

• 時間與持續性

  火山閃電通常發生在噴發初期，頻率較高但持續時間較短。

• 化學成分的影響

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

結尾

火山閃電是自然界中一種壯觀而復雜的現象，其背后涉及到顆粒物理、化學反應和電磁學等多學科的交叉研究。通過對火山閃電的深入研究，科學家不僅揭示了火山噴發中的物理機制，還為火山災害的監測與預警提供了新的思路。未來，隨著觀測技術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，為科學和社會發展做出更大貢獻。

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：噴發時會伴隨閃電？

編輯：Decoherence

轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

如需轉載請聯系原公眾號