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意大利埃特纳火山近日再度发生喷发，摄影师和火山爱好者们有幸又能奔向火山口附近，观察熔岩从裂缝中喷涌而出的壮观场景。比这一幕更遥远的是，盛怒的火山喷射出岩浆和浓烟，狰狞的闪电在空中叫嚣。这不是世界末日，也不是天幕中上演的IMAX电影，而是天空和大地的一次联袂演出——火山闪电。
【2010年冰岛埃亚菲亚德拉火山爆发，它喷发形成的紫色纹状闪电恰好被摄影师捕捉到。图片来自nationalgeographic】
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。
如何制造一场惊天动地的闪电？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）。
【左图为云中闪电，我们平时观察到的闪电绝大多数都是这种形式，右图为云地间闪电（cloud-to-ground lightning），它是影响人类生产生活的主要形式，威胁较大。图片来自nasa和wiki commons】
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？
【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，当然，这类照片有的可是摄影师通过长时间曝光拍出来的，你可不要指望几秒内就能轻易出现这么多道闪电。图片来自flickr和theatlantic】
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。
不过，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[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。
【千岛群岛中的萨雷切夫（Sarychev）火山在2009年喷发期间，从国际空间站拍摄到它喷发时形成的“蘑菇状”烟柱，只见蒸汽和烟尘直入云霄。图片来自wiki commons】
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。】
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？这一次，需要地质学来解答。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。
【夏威夷火山喷发喷出绚丽的岩浆，岩浆是包含各种气体、过热水及蒸汽的硅酸盐熔融体。图片来自wiki commons】
针对火山闪电的气象学和地质学研究还远未结束，最后，来看看2008年智利紫藤火山（Chaiten Volcano）喷发时，闪电给火山烟流披上外套的盛况吧！参考资料：
| [2] | Bradley M. Muller. Flash and Fire: Pioneering Research into the Volcanic Lightning Phenomenon, Weatherwise, 64:1, 12-21, 2011. |
| [3] | Thomas RJ, et al.. Electrical activity during the 2006 Mount St. Augustine volcanic eruptions. Science 315:1097, 2007. |
| [4] | Thomas, R.J., S.R. McNutt, P. Krehbiel, W. Rison, G. Aulich, H. Edens, G. Tytgat , and E. Clark. Lightning and Electrical Activity During the Eruptions of Augustine Volcano. USGS Prof. Paper 1769, p. 579-608, 2010. |
| [5] | McNutt, S.R. and E.R. Williams, Volcanic Lightning: Global observations and constraints on source mechanisms. Bull. Volcanol., Appendix, 2010. |
| [6] | Williams, E.R. and S.R. McNutt. Total water contents in volcanic eruption clouds and implications for electrification and lightning. Proceedings of the 2nd International Conference on Volcanic Ash and Aviation Safety, U.S. Dept. of Commerce, NOAA, section 2, p. 67-71, 2004. |
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