菲律賓塔爾火山突然爆發，其壯觀的閃電是如何形成的？

1月12日菲律賓塔爾火山俄然爆發，火山灰直沖云霄高達10-15公里，甚至舒展到72公里外的奎松城，還激發了地動、海嘯。我們贊嘆于火山噴發時的壯不雅氣象和粉碎力，相信大師不管是從照片和視頻上都看到神奇的閃電現象，這比我們看到的大氣放電要壯不雅得多。下面我們就說下火山閃電的物理學道理，它是怎么發生的？

在我們的大氣中最常見的天然現象之一就是閃電。每一次閃電大約有100,000,000,000,000,000,000個電子在云層和云層或地球概況之間互訂交換。

起首說下大氣放電是怎么發生的？

宇宙中的每一個原子，包羅大氣中的原子都是由一個帶正電的原子核和一大堆帶負電的電子構成。固然我們凡是認為原子是中性的，電子的數目等于原子核中質子的數目，但也有特別環境。

因為，有些原子很甘愿答應被電離，它要么獲得一個電子，要么掉去一個（或兩個，或三個）電子。就像上圖種鈉原子就很甘愿答應把最外層的電子踢出去釀成帶正電的鈉離子，而氯原子就老是感覺本身少一個電子，但愿經由過程獲得一個電子釀成氯離子。

此刻，若是我們把這些帶電粒子彼此分隔，就發生了電荷分手，從而發生了電壓。當兩個區域之間的電壓（也稱為電勢差）變得足夠大時，即使它們之間只有空氣，空氣也會自覺地導電，發生快速的電荷互換，于是我們就看到了閃電！

閃電根基發生在高空，一般都是云層之間或者云層與地面之間的放電現象。可是，火山爆發經常也會發生閃電！下圖是冰島的埃亞菲亞德拉火山爆發時的閃電。

下面還有一些令人詫異的火山閃電的照片，這些照片都是真實拍攝的。下圖是冰島Eyjafjallajokull火山噴發的照片，由直升機拍攝的！

上圖和下圖，火山爆發時的閃電不亞于任何一次大氣放電現象。

從汗青上看，要在火山勾當中近距離捕獲到閃電很是堅苦，例如，下圖中智利的Chaitin火山在2008年噴發時的情景，這是9000年來的第一次噴發。

日本櫻島是近代汗青上一座很是活躍的火山，自1955年以來幾乎一向在噴發。1960年成立了一個火山不雅測站，對其勾當進行持續監測，并多次不雅測到火山閃電，包羅1988年的此次爆發。

事實上，早在1944年維蘇威火山爆發的時辰，火山閃電就被拍攝下來了！下圖：

那么火山閃電是若何發生的？

說真話，科學家認為火山閃電和正常的雷暴閃電道理一樣，但有些細節還不克不及100%簡直定，這仍然是一個今朝正在研究范疇。但有一個大致的概念，來詮釋為什么火山噴發時會發生這樣的工作。

(步調1）原子在大大都環境下，一起頭是中性的，可是因為大量自由能的存在，所以這些能量會把一些松散地附著在原子上的電子敲失落，也就是電離某些原本就想掉去電子的原子，而同時那些巴望獲得這些新釋放的電子的原子可以很快的捕捉這些自由電子。(步調2)。

以上的兩個步調絕對沒問題：因為這是一座火山！

當溫度在1500k擺布時，必定有足夠的能量足以把電子從一些最松散的原子上踢出來，然后這些電子很輕易被其他原子接收，發生大量的正離子和負離子。

此刻，關頭的一步是，也是今朝有爭議的一步，有了正負粒子，就需要把正電荷和負電荷分隔（步調3)。并且必需分手足夠多的粒子，在必然的距離內發生足夠的電勢差，從而引起放電現象！(步調4）。若是我們能分手電荷，就能在理論上制造火山閃電。

那么我們要怎么區分這些電荷呢？

此刻大量被電離的原子，包羅正離子和負離子，都處在一個高溫、紊亂的情況中。而這些原子都是從地球深處噴發出來的，這就包含了很多豐碩的元素。

這些元素彼此之間有分歧的質量，以及分歧的半徑！當它們被火山噴發出來時，跟著時候的推移，溫度會逐漸降低。這對于所會商的原子/離子的速度很是主要。

一般來說，當原子和離子被噴發出來時，開初的移動速度很快，但跟著時候的推移冷卻下來，速度會變慢。

這里就有兩個很是主要的身分使得我們很輕易把正電荷和負電荷分隔。

起首這些離子之間的質量相差甚遠！

一個元素的原子量越重，它的活動速度就越慢，即使在與較輕元素不異的溫度下也是如斯！這也意味著更重的離子的慣性更大，改變它們的動量更堅苦。所以這些遲緩移動的重離子和快速移動的輕離子的移動體例很是分歧。在任何溫度下都是如斯！

第二個很是主要的身分：是什么使這些正負離子類型彼此分手？

正離子和負離子在尺寸和橫截面上有著龐大的差別。

一般來說，負離子的橫截面大，而正離子橫截面小！這是為什么呢？因為把更多的電子放到原子上，它們會互相排斥；若是原子是中性的，那么原子的體積就會增大，原子核（其質子數少于離子中的電子數）就不克不及緊緊地抓住電子。另一方面，為了釀成正離子，原子把電子踢出原子，原子核（離子中有更多的質子）就會比以前能更緊地抓住電子！

這意味著負離子的截面比正離子大，是以它們的彼此感化與正離子很是分歧！

把以上的身分連系起來：在存在溫度梯度的情況中，分歧質量離子以分歧的平均速度和分歧的截面移動，這就會使得電荷發生分手！于是就呈現了壯不雅的火山閃電！