菲律宾塔尔火山突然爆发，其壮观的闪电是如何形成的？

1月12日菲律宾塔尔火山俄然爆发，火山灰直冲云霄高达10-15公里，甚至舒展到72公里外的奎松城，还激发了地动、海啸。我们赞叹于火山喷发时的壮不雅气象和粉碎力，相信大师不管是从照片和视频上都看到神奇的闪电现象，这比我们看到的大气放电要壮不雅得多。下面我们就说下火山闪电的物理学道理，它是怎么发生的？

在我们的大气中最常见的天然现象之一就是闪电。每一次闪电大约有100,000,000,000,000,000,000个电子在云层和云层或地球概况之间互订交换。

起首说下大气放电是怎么发生的？

宇宙中的每一个原子，包罗大气中的原子都是由一个带正电的原子核和一大堆带负电的电子构成。固然我们凡是认为原子是中性的，电子的数目等于原子核中质子的数目，但也有特别环境。

因为，有些原子很甘愿答应被电离，它要么获得一个电子，要么掉去一个（或两个，或三个）电子。就像上图种钠原子就很甘愿答应把最外层的电子踢出去酿成带正电的钠离子，而氯原子就老是感觉本身少一个电子，但愿经由过程获得一个电子酿成氯离子。

此刻，若是我们把这些带电粒子彼此分隔，就发生了电荷分手，从而发生了电压。当两个区域之间的电压（也称为电势差）变得足够大时，即使它们之间只有空气，空气也会自觉地导电，发生快速的电荷互换，于是我们就看到了闪电！

闪电根基发生在高空，一般都是云层之间或者云层与地面之间的放电现象。可是，火山爆发经常也会发生闪电！下图是冰岛的埃亚菲亚德拉火山爆发时的闪电。

下面还有一些令人诧异的火山闪电的照片，这些照片都是真实拍摄的。下图是冰岛Eyjafjallajokull火山喷发的照片，由直升机拍摄的！

上图和下图，火山爆发时的闪电不亚于任何一次大气放电现象。

从汗青上看，要在火山勾当中近距离捕获到闪电很是坚苦，例如，下图中智利的Chaitin火山在2008年喷发时的情景，这是9000年来的第一次喷发。

日本樱岛是近代汗青上一座很是活跃的火山，自1955年以来几乎一向在喷发。1960年成立了一个火山不雅测站，对其勾当进行持续监测，并多次不雅测到火山闪电，包罗1988年的此次爆发。

事实上，早在1944年维苏威火山爆发的时辰，火山闪电就被拍摄下来了！下图：

那么火山闪电是若何发生的？

说真话，科学家认为火山闪电和正常的雷暴闪电道理一样，但有些细节还不克不及100%简直定，这仍然是一个今朝正在研究范畴。但有一个大致的概念，来诠释为什么火山喷发时会发生这样的工作。

(步调1）原子在大大都环境下，一起头是中性的，可是因为大量自由能的存在，所以这些能量会把一些松散地附着在原子上的电子敲失落，也就是电离某些原本就想掉去电子的原子，而同时那些巴望获得这些新释放的电子的原子可以很快的捕捉这些自由电子。(步调2)。

以上的两个步调绝对没问题：因为这是一座火山！

当温度在1500k摆布时，必定有足够的能量足以把电子从一些最松散的原子上踢出来，然后这些电子很轻易被其他原子接收，发生大量的正离子和负离子。

此刻，关头的一步是，也是今朝有争议的一步，有了正负粒子，就需要把正电荷和负电荷分隔（步调3)。并且必需分手足够多的粒子，在必然的距离内发生足够的电势差，从而引起放电现象！(步调4）。若是我们能分手电荷，就能在理论上制造火山闪电。

那么我们要怎么区分这些电荷呢？

此刻大量被电离的原子，包罗正离子和负离子，都处在一个高温、紊乱的情况中。而这些原子都是从地球深处喷发出来的，这就包含了很多丰硕的元素。

这些元素彼此之间有分歧的质量，以及分歧的半径！当它们被火山喷发出来时，跟着时候的推移，温度会逐渐降低。这对于所会商的原子/离子的速度很是主要。

一般来说，当原子和离子被喷发出来时，开初的移动速度很快，但跟着时候的推移冷却下来，速度会变慢。

这里就有两个很是主要的身分使得我们很轻易把正电荷和负电荷分隔。

起首这些离子之间的质量相差甚远！

一个元素的原子量越重，它的活动速度就越慢，即使在与较轻元素不异的温度下也是如斯！这也意味着更重的离子的惯性更大，改变它们的动量更坚苦。所以这些迟缓移动的重离子和快速移动的轻离子的移动体例很是分歧。在任何温度下都是如斯！

第二个很是主要的身分：是什么使这些正负离子类型彼此分手？

正离子和负离子在尺寸和横截面上有着庞大的差别。

一般来说，负离子的横截面大，而正离子横截面小！这是为什么呢？因为把更多的电子放到原子上，它们会互相排斥；若是原子是中性的，那么原子的体积就会增大，原子核（其质子数少于离子中的电子数）就不克不及紧紧地抓住电子。另一方面，为了酿成正离子，原子把电子踢出原子，原子核（离子中有更多的质子）就会比以前能更紧地抓住电子！

这意味着负离子的截面比正离子大，是以它们的彼此感化与正离子很是分歧！

把以上的身分连系起来：在存在温度梯度的情况中，分歧质量离子以分歧的平均速度和分歧的截面移动，这就会使得电荷发生分手！于是就呈现了壮不雅的火山闪电！