菲律宾塔尔火山突然爆发，其壮观的闪电是如何形成的？

菲律宾塔尔火山1月12日突然喷发，火山灰直冲云霄高达10-15公里，甚至波及72公里外的奎松市，引发地震和海啸。火山喷发的壮观景象和破坏力让我们惊叹不已。相信大家都能从照片和视频中看到神奇的闪电现象，比我们看到的大气放电要壮观得多。让我们谈谈火山闪电的物理原理。它是如何发生的？

我们大气中最常见的自然现象之一是闪电。在每个闪电中，大约有100,000,000,000,000,000,000个电子在云层和地球表面之间交换。

首先，大气放电是怎么发生的？

宇宙中的每一个原子，包括大气中的原子，都是由一个带正电的原子核和大量带负电的电子组成的。虽然我们通常认为原子是中性的，电子数等于原子核中的质子数，但也有特殊情况。

因为，有些原子很高兴被电离，它要么获得一个电子，要么失去一个电子（或两个，或三个）。就像上图中的钠原子，它很高兴把最外层的电子踢出去成为带正电的钠离子，而氯原子总觉得自己少了一个电子，希望通过获得一个电子成为氯离子.

现在，如果我们将这些带电粒子彼此分离，就会产生电荷分离，从而产生电压。当两个区域之间的电压（也称为电位差）变得足够大时，即使它们之间只有空气，空气也会自发导电，发生快速的电荷交换，我们就看到了闪电！

闪电基本发生在高空，一般是云层之间或云层与地面之间的放电现象。然而，火山喷发也经常会产生闪电！下图是冰岛埃亚菲亚德拉火山喷发时的闪电。

下面还有一些火山闪电的惊人照片，都是真实照片。下图是冰岛Eyjafjallajokull火山喷发的照片，直升机拍摄！

上图和下图，火山喷发时的闪电不亚于任何大气放电现象。

从历史上看，在火山活动期间近距离捕捉闪电非常困难，如下图所示，智利柴廷火山在2008年9000年来首次喷发。

日本樱岛是近代历史上非常活跃的一座火山，从1955年开始几乎持续喷发。1960年建立了火山观测站，持续监测其活动，多次观测到火山闪电，包括1988年的这次喷发。

其实早在1944年维苏威火山爆发的时候，就拍到过火山闪电！下图：

那么火山闪电是如何发生的呢？

老实说，科学家们认为火山闪电的工作原理与正常的雷暴闪电相同，但有些细节并不能100%确定，这仍然是目前正在进行的研究领域。但是对于火山喷发时为什么会发生这种情况有一个大概的想法。

(Step1)原子在大多数情况下，最初是中性的，但是由于存在大量的自由能，这些能量会敲掉一些松散附着在原子上的电子，也就是电离一些已经在试图失去电子的原子，而那些渴望获得这些新释放电子的原子则可以迅速捕获这些自由电子。（第2步）。

上面两步绝对没问题：因为这里是火山！

当温度在1500K左右时，必须有足够的能量将电子从一些最松散的原子中踢出，然后这些电子很容易被其他原子吸收，产生大量的正离子和负离子。现在，关键的一步，也是目前有争议的一步，就是对于正粒子和负粒子，你需要把正电荷和负电荷分开（步骤3）。而且必须分离出足够多的粒子，才能在一定距离内产生足够大的电位差，从而引起放电现象！（步骤4）。如果我们能分离电荷，理论上就可以制造火山闪电。

那么我们如何区分这些费用呢？

大量电离的原子，包括正离子和负离子，现在处于一个炎热、混乱的环境中。而这些原子都是从地球深处喷发出来的，地球深处蕴藏着许多丰富的元素。

这些元素的质量不一样，半径也不一样！当它们被火山喷发时，温度会随着时间逐渐降低。这对于所讨论的原子/离子的速度非常重要。

一般来说，当原子和离子被喷射出来时，它们一开始移动得很快，但随着时间的推移冷却下来，速度就会变慢。

这里有两个非常重要的因素，可以让我们很容易的把正电荷和负电荷分开。

首先，这些离子的质量是非常不同的！

元素的原子量越重，它移动的速度就越慢，即使在与较轻元素相同的温度下也是如此！这也意味着较重的离子具有更大的惯性，使其更难改变其动量。因此，这些移动缓慢的重离子与移动快速的轻离子的移动方式截然不同。在任何温度下都是如此！

第二个非常重要的因素：是什么将这些正离子和负离子类型彼此区分开来？

正离子和负离子的大小和横截面差别很大。

一般来说，负离子的截面大，正离子的截面小！为什么是这样？因为在原子上放了更多的电子，它们会互相排斥；如果原子是中性的，那么原子的体积就会增大，原子核（质子数少于离子中的电子数）就不能紧紧抓住电子。另一方面，为了成为正离子，原子将电子踢出原子，原子核（离子中有更多质子）将比以前更紧地抓住电子！

这意味着负离子的横截面比正离子大，因此它们的相互作用与正离子截然不同！

结合以上因素：在有温度梯度的环境中，不同质量的离子以不同的平均速度和不同的横截面运动，会造成电荷分离！然后是壮观的火山闪电！