揭开火山秘密的“雷神之锤” 全球关注

时间：2023-06-18 11:38:13 来源: 个人图书馆-大科技杂志社

火山变幻莫测，人类能不能掌握揭开其真面目的“雷神之锤”?

在末日传说中，我们时常会看到这样的描述：海里的巨浪咆哮着扑向人群，脚下的大地张开大口吞没一切，灼人的火流和漫天的灰烟占满整个视界，闪亮的光剑撕开天幕、劈裂大地……不久之前，身处太平洋岛国汤加的人们亲眼目睹了这样犹如末日般的场景。

召唤闪电的火山

(相关资料图)

2022年1月，汤加主岛以北约50千米处发生了千年一遇的海底火山喷发，大量的火山灰从海底喷涌而出，直上天际。随后，火山喷发引来了海啸，巨浪迎面袭来，将建筑物和道路通通淹没。不仅如此，天空中也是电闪雷鸣——数不清的闪电不断劈下，有的击中陆地上的人和物，有的打在海面之上，激发出携带电火花的大浪。到处都是危险，岛上的人们简直无路可逃。

相关研究机构的侦测数据表明，这次火山喷发引发了前所未有的闪电浪潮：海底火山的第一次喷发制造了巨大的闪电，并且电闪雷鸣一直持续到次日。大闪电之后，海底火山正式大规模喷发，短短三天时间，汤加周边总共发生了近59万次闪电，闪电几乎吞没了汤加群岛周围的岛屿。

事实上，这不是我们第一次观察到伴随着火山喷发而出现的闪电，最早的一次关于火山闪电的记录甚至远在千年前。公元79年，意大利的维苏威火山猛烈喷发，将一座名为庞贝的古城彻底掩埋。罗马学者小普林尼在写给友人的书信中，描述了当时的情形，“在我们身后是令人恐惧的乌云，它们不断被翻滚的闪电撕裂，裂口处显露出巨大的火焰身影。”而在汤加火山之前，2018年印度尼西亚的喀拉喀托火山刚刚向人们展示了火山闪电的狰狞一面：大约34万次闪电在一周的时间集中出现，照亮了喀拉喀托火山周边的乌黑海域。

这么多的闪电从何而来，它们为何伴随着火山喷发出现?

揭开火山闪电面纱

火山与闪电为何常常相伴而生，很长一段时间人们都不知道答案。其中一个原因是并不是每一次火山喷发都伴随着闪电，当科学家追随而来时，可能已经错过了“第一案发现场”，难以追寻闪电起因。

为了解开这个谜团，科学家们开始在实验室模拟火山喷发，并试图激发后续的闪电。德国慕尼黑大学的研究人员用空气和火山灰颗粒混合制造了火山羽流，然后通过加压模拟它们从火山口冲出的过程，人造羽流冒头后又被迅速减压至标准大气压水平，以尽可能准确地模仿火山喷发的整个过程。研究人员使用高速摄像机拍下了全程，还用天线监测到了喷发过程中气体放电产生的无线电波。数据表明，火山灰颗粒在厚厚的火山灰云中相互摩擦产生的静电是造成火山闪电的主要原因。

要分析火山闪电形成的原因，首先要了解闪电的形成机制。与高空相比，近地面温度更高，冷空气将近地面的热空气托举上升，热空气到了高处，遇冷冷却形成水蒸气并聚集成云团。随着热空气的不断补充，这朵云会越来越大，越升越高。这样，云的顶部区域可能低于冰点温度，水蒸气转化为冰，许多细小的冰块相互摩擦并累积电荷。当整个云充满了电荷时，它们开始分离，带正电的较轻粒子向上升，而带负电的较重粒子向下沉。平时，云朵中的电荷“分居两地”，闪电不会发生，但在强对流天气中，空气中的原子发生了电离现象，这些带电粒子被云朵吸引，进一步增强了其带电量。云朵与地面的电位差也进一步增大，等到电位差击穿了空气绝缘体，我们就会看到闪电。

而火山的喷发则加速了闪电的形成过程，这也许正是火山会引发大量闪电的原因。火山爆发会喷出大量岩浆，炽热的岩浆将沿途遇到的液态水迅速变成了水蒸气。同时，由于火山熔岩挤压，岩石会破碎成细小的微粒，水蒸气包裹着微粒形成了大团“云朵”。“云朵”内部的微粒不断聚集、碰撞、摩擦，带上了或正或负的电荷。随着火山不断地喷发，越来越多的“云朵”进入到了火山口上的大气层，当带有正负电荷的冰晶在高空中碰撞时，会产生电位差，电位差大到击穿空气时，闪电就出现了。

汤加火山之所以带来了前所未有的闪电，与它集齐众多有利因素不无关系：熔岩与水接触时，会分解成更小的碎片，从而增加了可供碰撞的粒子数量;火山灰中携带的海水也增加了后续可能产生的冰晶的数量;火山喷发规模大，火山灰所能到达的高度更高，海水凝结成的冰晶也更多——种种因素的叠加催生了史无前例的汤加火山闪电。

火山闪电监测火山

一直以来，火山监测和预警都是一个让科学家头疼的难题，许多监测工具都难以达到目的。地质活动常常会引起火山喷发，因此地震仪常被用来衡量潜在的火山威胁，但地震仪难以被安装在偏远地区的火山上，也不便于获取数据和进行维护。卫星云图和次声波检测是另外两种常用方法，但两者都有缺点：云层或黑暗会遮蔽卫星，从而让我们错过在阴天或夜晚爆发的火山;次声波在远距离传播时会发生衰减，导致我们无法获取准确的火山信息。

与之相比，通过火山闪电获取火山信息有几个优势，闪电传播速度很快且不易失真，另一方面闪电也不易受天气的影响，即使远在千里之外，我们也能第一时间获知火山的消息。

美国一个科学家联合团队获取了全球闪电定位网络数据库的数据以及卫星捕捉到的火山羽流云图，以分析火山喷发期间的闪电率。研究小组发现，随着火山喷发强度的增加，天空中劈啪作响的闪电次数变得更高，而当火山羽流稳步扩散开来，闪电次数则随之下降。这意味着，闪电活动的数量与火山喷发的过程密切相关，通过计数闪电数量，可以揭示火山活动的关键进程。

当然，这种方法仍然存在缺陷，首当其冲的就是许多火山喷发时并不会引发闪电，无从使用这个方法。另一个难点是全球闪电定位网络精细程度还不够，无法准确判断闪电的起因，不能确定一个闪电究竟是火山抑或由风暴引起。

火山闪电与火山活动过程间的关系现在还处于初步研究阶段，我们还没能确切了解两者间的关系。也许不久的将来，我们有办法克服这些困难，获得火山监控的新方法。

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