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火山闪电,火山喷发为什么会有闪电

文章作者:健康新闻 上传时间:2019-08-28

火山闪电火山闪电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

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。

火山闪电

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”。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。

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。

如何制造一场惊天动地的闪电?

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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)。

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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。

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火山闪电,气象学掐架地质学

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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。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。

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。

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。

【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。

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。

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