1月12日菲律宾塔尔火山突然爆发，火山灰直冲云霄高达10-15公里，甚至蔓延到72公里外的奎松城，还引发了地震、海啸。我们惊叹于火山喷发时的壮观景象和破坏力，相信大家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观得多。下面我们就说下火山闪电的物理学原理，它是怎么发生的？
在我们的大气中最常见的自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表面之间互相交换。
首先说下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一大堆带负电的电子组成。虽然我们通常认为原子是中性的，电子的数量等于原子核中质子的数量，但也有特殊情况。
因为，有些原子很乐意被电离，它要么得到一个电子，要么失去一个（或两个，或三个）电子。就像上图种钠原子就很乐意把最外层的电子踢出去变成带正电的钠离子，而氯原子就总是觉得自己少一个电子，希望通过获得一个电子变成氯离子。
现在，如果我们把这些带电粒子彼此分开，就产生了电荷分离，从而产生了电压。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，空气也会自发地导电，发生快速的电荷交换，于是我们就看到了闪电！
闪电基本发生在高空，一般都是云层之间或者云层与地面之间的放电现象。但是，火山爆发经常也会产生闪电！下图是冰岛的埃亚菲亚德拉火山爆发时的闪电。
下面还有一些令人惊奇的火山闪电的照片，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。
从历史上看，要在火山活动中近距离捕捉到闪电非常困难，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。
日本樱岛是近代历史上一座非常活跃的火山，自1955年以来几乎一直在喷发。1960年建立了一个火山观测站，对其活动进行连续监测，并多次观测到火山闪电，包括1988年的这次爆发。
事实上，早在1944年维苏威火山爆发的时候，火山闪电就被拍摄下来了！下图：
那么火山闪电是如何发生的？
说实话，科学家认为火山闪电和正常的雷暴闪电原理一样，但有些细节还不能100%的确定，这仍然是一个目前正在研究领域。但有一个大致的概念，来解释为什么火山喷发时会发生这样的事情。
(步骤1）原子在大多数情况下，一开始是中性的，但是由于大量自由能的存在，所以这些能量会把一些松散地附着在原子上的电子敲掉，也就是电离某些本来就想失去电子的原子，而同时那些渴望得到这些新释放的电子的原子可以很快的捕获这些自由电子。(步骤2)。
以上的两个步骤绝对没问题：因为这是一座火山！
当温度在1500k左右时，肯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，关键的一步是，也是目前有争议的一步，有了正负粒子，就需要把正电荷和负电荷分开（步骤3)。而且必须分离足够多的粒子，在一定的距离内产生足够的电势差，从而引起放电现象！(步骤4）。如果我们能分离电荷，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？
现在大量被电离的原子，包括正离子和负离子，都处在一个高温、混乱的环境中。而这些原子都是从地球深处喷发出来的，这就包含了许多丰富的元素。
这些元素彼此之间有不同的质量，以及不同的半径！当它们被火山喷发出来时，随着时间的推移，温度会逐渐降低。这对于所讨论的原子/离子的速度非常重要。
一般来说，当原子和离子被喷发出来时，起初的移动速度很快，但随着时间的推移冷却下来，速度会变慢。
这里就有两个非常重要的因素使得我们很容易把正电荷和负电荷分开。
首先这些离子之间的质量相差甚远！
一个元素的原子量越重，它的运动速度就越慢，即使在与较轻元素相同的温度下也是如此！这也意味着更重的离子的惯性更大，改变它们的动量更困难。所以这些缓慢移动的重离子和快速移动的轻离子的移动方式非常不同。在任何温度下都是如此！
第二个非常重要的因素：是什么使这些正负离子类型相互分离？
正离子和负离子在尺寸和横截面上有着巨大的差异。
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；如果原子是中性的，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）就不能紧紧地抓住电子。另一方面，为了变成正离子，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，因此它们的相互作用与正离子非常不同！
把以上的因素结合起来：在存在温度梯度的环境中，不同质量离子以不同的平均速度和不同的截面移动，这就会使得电荷发生分离！于是就出现了壮观的火山闪电！
