1月12日菲律賓塔爾火山突然爆發，火山灰直衝雲霄高達10-15公里，甚至蔓延到72公里外的奎松城，還引發了地震、海嘯。我們驚歎於火山噴發時的壯觀景象和破壞力，相信大家不管是從照片和影片上都看到神奇的閃電現象，這比我們看到的大氣放電要壯觀得多。下面我們就說下火山閃電的物理學原理，它是怎麼發生的？

在我們的大氣中最常見的自然現象之一就是閃電。每一次閃電大約有100,000,000,000,000,000,000個電子在雲層和雲層或地球表面之間互相交換。

首先說下大氣放電是怎麼發生的？

宇宙中的每一個原子，包括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組成。雖然我們通常認為原子是中性的，電子的數量等於原子核中質子的數量，但也有特殊情況。

因為，有些原子很樂意被電離，它要麼得到一個電子，要麼失去一個（或兩個，或三個）電子。就像上圖種鈉原子就很樂意把最外層的電子踢出去變成帶正電的鈉離子，而氯原子就總是覺得自己少一個電子，希望透過獲得一個電子變成氯離子。

現在，如果我們把這些帶電離子彼此分開，就產生了電荷分離，從而產生了電壓。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，空氣也會自發地導電，發生快速的電荷交換，於是我們就看到了閃電！

閃電基本發生在高空，一般都是雲層之間或者雲層與地面之間的放電現象。但是，火山爆發經常也會產生閃電！下圖是冰島的埃亞菲亞德拉火山爆發時的閃電。

下面還有一些令人驚奇的火山閃電的照片，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於任何一次大氣放電現象。

從歷史上看，要在火山活動中近距離捕捉到閃電非常困難，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。

日本櫻島是近代歷史上一座非常活躍的火山，自1955年以來幾乎一直在噴發。1960年建立了一個火山觀測站，對其活動進行連續監測，並多次觀測到火山閃電，包括1988年的這次爆發。

事實上，早在1944年維蘇威火山爆發的時候，火山閃電就被拍攝下來了！下圖：

那麼火山閃電是如何發生的？

說實話，科學家認為火山閃電和正常的雷暴閃電原理一樣，但有些細節還不能100%的確定，這仍然是一個目前正在研究領域。但有一個大致的概念，來解釋為什麼火山噴發時會發生這樣的事情。

(步驟1）原子在大多數情況下，一開始是中性的，但是由於大量自由能的存在，所以這些能量會把一些鬆散地附著在原子上的電子敲掉，也就是電離某些本來就想失去電子的原子，而同時那些渴望得到這些新釋放的電子的原子可以很快的捕獲這些自由電子。(步驟2)。

以上的兩個步驟絕對沒問題：因為這是一座火山！

當溫度在1500k左右時，肯定有足夠的能量足以把電子從一些最鬆散的原子上踢出來，然後這些電子很容易被其他原子吸收，產生大量的正離子和負離子。

現在，關鍵的一步是，也是目前有爭議的一步，有了正負粒子，就需要把正電荷和負電荷分開（步驟3)。而且必須分離足夠多的粒子，在一定的距離內產生足夠的電勢差，從而引起放電現象！(步驟4）。如果我們能分離電荷，就能在理論上製造火山閃電。

那麼我們要怎麼區分這些電荷呢？

現在大量被電離的原子，包括正離子和負離子，都處在一個高溫、混亂的環境中。而這些原子都是從地球深處噴發出來的，這就包含了許多豐富的元素。

一般來說，當原子和離子被噴發出來時，起初的移動速度很快，但隨著時間的推移冷卻下來，速度會變慢。

這裡就有兩個非常重要的因素使得我們很容易把正電荷和負電荷分開。

首先這些離子之間的質量相差甚遠！

一個元素的原子量越重，它的運動速度就越慢，即使在與較輕元素相同的溫度下也是如此！這也意味著更重的離子的慣性更大，改變它們的動量更困難。所以這些緩慢移動的重離子和快速移動的輕離子的移動方式非常不同。在任何溫度下都是如此！

第二個非常重要的因素：是什麼使這些正負離子型別相互分離？

正離子和負離子在尺寸和橫截面上有著巨大的差異。

一般來說，負離子的橫截面大，而正離子橫截面小！這是為什麼呢？因為把更多的電子放到原子上，它們會互相排斥；如果原子是中性的，那麼原子的體積就會增大，原子核（其質子數少於離子中的電子數）就不能緊緊地抓住電子。另一方面，為了變成正離子，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，因此它們的相互作用與正離子非常不同！

把以上的因素結合起來：在存在溫度梯度的環境中，不同質量離子以不同的平均速度和不同的截面移動，這就會使得電荷發生分離！

於是就出現了壯觀得火山閃電！下面還有一些火山閃電得照片。

電荷是物質的本質屬性，是物質拓撲上的守恆性質，也就是說，物質通常都要保持電中性狀態，電荷非平衡狀態是小機率事件；什麼時候都存在小概事件向大概事件演化的一個“機率梯度”；閃電就是這種“事件機率梯度”，形成的一種事件。

火山噴發可以看作是一種隨機過程，其整個過程事件可解釋為一個完備的拓撲子集，而其中噴出的物質受到劇烈的摩擦、撞擊，將形成電荷非平衡拓撲形式，這是一小概事件，非穩定狀態，必然演化到電中性拓撲的、穩定狀態，大概事件。

其實火山物質間相撞擊將失去電子，形成空穴離子，特別是矽晶體；當電子又重新複合到空穴後，將放出光子，形成閃電。通常雨雲形成的閃電是等離子體放電機制。

總之，不論哪種機制形成的閃電，都是正負電荷複合成中性原子放出光子的過程。閃電就是“隨機過程河流”上，“漂浮”的一段“樹枝”，正如股市隨機過程上的一段MACD曲線一樣，具有一定的“分形慣性”。人們想“抓住”閃電，利用閃電能，就像股民抓住股票趨勢一樣困難。