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(ài)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(chǎng)景。比這一幕更遙遠(yuǎn)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(shí)常伴隨的劇烈閃電活動(dòng)，這一現(xiàn)象被稱為“火山閃電”(volcanic lightning)。羅馬學(xué)者小普林尼在給歷史學(xué)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(shí)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”。不過(guò)，由于缺乏可靠安全的觀測(cè)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(duì)這種自然奇觀有更深入的了解。

如何制造一場(chǎng)驚天動(dòng)地的閃電?

要了解火山閃電，首先需要清楚閃電的孕育過(guò)程。簡(jiǎn)單的說(shuō)，我們需要將大氣中的顆粒起電，讓它們帶上正負(fù)不同的電荷并彼此分離。當(dāng)正負(fù)兩極電荷持續(xù)積累并拉開(kāi)，達(dá)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(fù)電荷，當(dāng)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(guò)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(huì)開(kāi)始凝結(jié)，同時(shí)釋放出大量的熱量，加速氣流的上升。當(dāng)溫度降到冰點(diǎn)以下，云中的液態(tài)水變成冰晶和溫度低于0℃時(shí)仍不凍結(jié)的過(guò)冷卻水滴，經(jīng)過(guò)摩擦碰撞，產(chǎn)生電荷。在強(qiáng)烈的上升氣流中，小的帶正電的顆粒升到頂端，大的帶負(fù)電的顆粒降到底部。正負(fù)兩極距離拉開(kāi)，閃電也隨之而來(lái)。

火山閃電，氣象學(xué)掐架地質(zhì)學(xué)

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(xué)的角度來(lái)看，火山噴發(fā)出的巨大煙流，同雷暴云十分類似，只不過(guò)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)。火山噴發(fā)時(shí)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(guò)摩擦碰撞，產(chǎn)生電荷，并在重力的作用下分開(kāi)。由于有水參與其中，這種機(jī)制被劃分為“濕”的機(jī)制。

不過(guò)，地質(zhì)學(xué)家更喜歡從火山本身尋找答案。他們認(rèn)為，火山煙流的電荷，可能是來(lái)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(diǎn)是沒(méi)有冷凝水參與，因此被稱為“干”的機(jī)制。

干濕結(jié)合，讓閃電來(lái)得更猛烈些吧

要探求火山閃電的具體機(jī)制，就必須采用更先進(jìn)的觀測(cè)手段。2006年，研究者在噴發(fā)中的美國(guó)阿拉斯加州奧古斯丁火山(Augustine Volcano)東邊，架起了兩個(gè)無(wú)線電觀測(cè)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(shí)情況。觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，火山閃電分為兩個(gè)階段：第一階段，伴隨著火山的噴發(fā)，可以偵測(cè)到一系列強(qiáng)勁的電磁脈沖和簡(jiǎn)單的放電。第二階段，在噴發(fā)后約3分鐘，又開(kāi)始出現(xiàn)常規(guī)的閃電信號(hào)。

研究人員分析，火山閃電可能擁有混合的起電機(jī)制。在第一階段，“干”的機(jī)制發(fā)揮主要作用，摩擦起電、巖石爆裂等機(jī)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(jī)制登場(chǎng)，繼續(xù)在更高的天空中制造絢麗的火花。

【有研究者將火山閃電劃分為火山口放電、近火山口以及火山煙流閃電三種類型，前兩種集中在火山口附近，和“干”的機(jī)制有關(guān)，而煙流閃電則來(lái)自“濕”的機(jī)制。】

火山煙流，你怎么濕了

不過(guò)，火山閃電在干燥的高緯度地區(qū)并不罕見(jiàn)[5]，那么根據(jù)“濕”的機(jī)制，火山煙流中的水又該如何解釋呢?這一次，需要地質(zhì)學(xué)來(lái)解答。火山噴發(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(jì)顯示，火山巖漿的水含量一般在3~6%左右。可不要小瞧這么點(diǎn)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(dá)到100千克。在溫度為30℃時(shí)，這點(diǎn)水就能讓4000立方米的熱帶大氣達(dá)到飽和。

當(dāng)巖漿從地下上涌，壓力降低，巖漿中的水逸出，變?yōu)樗魵膺M(jìn)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(lái)源。