火山噴發為什麼會有閃電?
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意大利埃特納火山近日再度發生噴發,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湧而出的壯觀場景。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袂演出——火山閃電。
很早以前,人們就已經注意到火山噴發時常伴隨的劇烈閃電活動,這一現象被稱為“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)爆發時的情形,“在我們身後是令人恐懼的烏雲,被糾纏翻滾的閃電撕裂,顯露出巨大的火焰形象”[1]。不過,由於缺乏可靠安全的觀測手段,火山閃電的研究一直不愠不火。直到近十年,人們才逐漸對這種自然奇觀有更深入的瞭解。
如何製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。簡單的説,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並彼此分離。當正負兩極電荷持續積累並拉開,達到某一極限,就能放電擊穿中間的空氣。在產生雷暴的積雨雲,也就是雷暴雲的內部,雲朵在不同部分聚集着正電荷和負電荷,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“雲中閃電”(intra-cloud lightning)。
在閃電的形成過程中,水扮演着重要的角色。雷暴起源於温暖的上升氣流。隨着氣流的上升,温度降低,水蒸氣會開始凝結,同時釋放出大量的熱量,加速氣流的上升。當温度降到冰點以下,雲中的液態水變成冰晶和温度低於0℃時仍不凍結的過冷卻水滴,經過摩擦碰撞,產生電荷。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,氣象學掐架地質學
產生火山閃電,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,火山噴發出的巨大煙流,同雷暴雲十分類似,只不過裏面還混雜着火山灰等其他雜質,因此被稱為“骯髒的雷暴雲”(dirty thunderstorm)。火山噴發時伴隨的閃電,可以與雷暴雲產生“雲中閃電”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,產生電荷,並在重力的作用下分開。由於有水參與其中,這種機制被劃分為“濕”的機制。
不過,地質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,可能是來源於巖石的破碎,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“幹”的機制。
乾濕結合,讓閃電來得更猛烈些吧
要探求火山閃電的具體機制,就必須採用更先進的觀測手段。2006年,研究者在噴發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生的電磁脈衝,還原火山閃電的真實情況。觀測數據表明,火山閃電分為兩個階段:第一階段,伴隨着火山的噴發,可以偵測到一系列強勁的電磁脈衝和簡單的放電。第二階段,在噴發後約3分鐘,又開始出現常規的閃電信號。
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,“幹”的機制發揮主要作用,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,繼續在更高的天空中製造絢麗的火花。
【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“幹”的機制有關,而煙流閃電則來自“濕”的機制。】
火山煙流,你怎麼濕了
不過,火山閃電在乾燥的高緯度地區並不罕見[5],那麼根據“濕”的機制,火山煙流中的水又該如何解釋呢?這一次,需要地質學來解答。火山噴發的巖漿,除了主要成分硅酸鹽,還包括水和二氧化碳、二氧化硫等揮發性成分。統計顯示,火山巖漿的水含量一般在3~6%左右。可不要小瞧這麼點含水比率,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。在温度為30℃時,這點水就能讓4000立方米的熱帶大氣達到飽和[6]。
當巖漿從地下上湧,壓力降低,巖漿中的水逸出,變為水蒸氣進入火山煙流中。另外,火山上覆蓋的冰雪,以及海底火山噴發中汽化的海水,也是水的重要來源。
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