追蹤雷電的軌跡

雷電是大氣中最神秘也最強(qiáng)大的現(xiàn)象之一，利用火箭研究天然雷電的特性，以便進(jìn)一步對其施加影響和利用，減少氣象災(zāi)害，是大氣科學(xué)家長期以來的一個夢想。

山東濱州，人跡罕至的棉花地，零零落落的簡陋平房里，中科院工作人員正在檢查設(shè)備。這天是2008 年6 月29 日，1 個小時后，雷公如約出現(xiàn)，工作人員想搶在他揮動雷神之錘，發(fā)出可怕的炫目亮光之前，用專用引雷火箭在天地間觸發(fā)大氣放電現(xiàn)象，也就是我們所說的閃電。

眾所周知，對雷電的研究最早能追溯到1752 年6 月，本杰明#8226;富蘭克林在費(fèi)城完成了著名的“風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)”，從實(shí)驗(yàn)知道了雷暴云帶有電荷。隨后，許多科學(xué)家投身到雷電研究中，發(fā)展出一整套雷電觀測、研究、防范的科學(xué)體系。在“風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)”過去200 多年后，整個科學(xué)界對于雷電的基本物理過程有了一定認(rèn)識，但有些問題仍未解決，對防雷產(chǎn)品的檢測大多也僅停留在實(shí)驗(yàn)室模擬雷電場景階段。

“一方面，直擊雷電災(zāi)害的防護(hù)工作與以前相比未有本質(zhì)上的提高，而另一方面，隨著微電子設(shè)備的迅速發(fā)展，雷電帶來的災(zāi)害卻在不斷升級，雷電造成的人員傷亡已使其成為中國僅次于暴雨洪澇、氣象地質(zhì)災(zāi)害之后名列第三的氣象災(zāi)害，中國每年因雷電造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)億元以上。如果能把雷電引到地面，深入研究雷電物理機(jī)理和雷害形成的機(jī)理，就能對其進(jìn)行較好的防護(hù)，從而減小損失”，中科院大氣物理研究所的郄秀書研究員說。

把雷電引到地面，目前通用的方法是火箭引雷，就是在適宜的雷爆條件下，通過一枚小型火箭將雷電人為地引到地面。過去人們很難對雷電進(jìn)行直接測量，因?yàn)椴恢浪鼤虻绞裁吹胤健；鸺讌s能把雷引到預(yù)先設(shè)定的地點(diǎn)，以便集中現(xiàn)代化設(shè)備對雷電進(jìn)行觀測、研究，使本來隨機(jī)發(fā)生的雷電在可控狀態(tài)下進(jìn)行，從而獲得近距離研究雷電的機(jī)會。

捕捉雷電的地方

火箭和雷電第一次親密接觸由法國人促成，中國則開始于1974 年。這年原蘭州高原大氣物理研究所用防雹用土火箭，進(jìn)行了人工引雷的嘗試。目前，僅有法國、美國、中國、日本和巴西擁有這項(xiàng)技術(shù)。自2005年起，中國科學(xué)院火箭引雷實(shí)驗(yàn)小組開始在山東濱州地區(qū)開展實(shí)驗(yàn)。

濱州的這片棉花地里的簡陋平房是實(shí)驗(yàn)人員的宿舍，距離宿舍直線距離1000 米的地方有一個小小的鐵皮房子，它實(shí)際上是一個“法拉第籠”，籠內(nèi)安裝有雷電流測量設(shè)備。法拉第籠旁邊70 米處是火箭引雷的控制室?？刂剖液芎唵?，一張桌子，上面擺滿了各種設(shè)備，分別是大氣平均電場儀控制盒、光纖發(fā)射機(jī)、快慢天線電場變化儀控制盒和記錄雷電數(shù)據(jù)的電腦和示波器等。它們都連著很長的線，光纖連接到火箭發(fā)射架上的光纖接收機(jī)，來控制火箭的發(fā)射，電纜線連接到電場探測設(shè)備的室外探頭，用來傳輸雷電產(chǎn)生的電場變化信號。

法拉第籠，從物理學(xué)上講，是一個密封的金屬腔體，它是最早由英國物理學(xué)家法拉第根據(jù)靜電平衡原理利用金屬空腔隔離靜電場影響所采用的一種結(jié)構(gòu)。1876 年， 法拉第的學(xué)生麥克斯維提出將法拉第籠結(jié)構(gòu)用于雷電防護(hù)，以減小雷擊所造成的損失。

中國資深防雷專家王時煦教授在負(fù)責(zé) 1958 年人民大會堂工程的電氣和防雷設(shè)計(jì)中率先采用了法拉第籠結(jié)構(gòu)，將人民大會堂工程結(jié)構(gòu)中的梁、板、柱以及基礎(chǔ)內(nèi)的所有鋼筋全部焊成一體。這樣，當(dāng)有空腔的導(dǎo)體放入電場中時，導(dǎo)體中的電子會在外電場作用下發(fā)生移動，最后達(dá)到靜電平衡——電子不再定向移動。此時金屬空腔的內(nèi)表面上處處沒有電荷，電荷只能分布在腔體的外表面。由電場唯一性定理，腔內(nèi)沒有電場，電位處處相等，整個腔體是個等位體。這樣一來，整幢建筑物實(shí)現(xiàn)了等電位連接，空腔導(dǎo)體隔離了外電場的作用，使外電場不能透入空腔內(nèi)部，從而達(dá)到防雷的目的。

現(xiàn)在，法拉第籠已成為火箭引雷實(shí)驗(yàn)的標(biāo)配。籠內(nèi)所配的電流測量設(shè)備有同軸分流器和Rogowski 線圈，籠外頂部是5 米長的引流桿，雷電最終會引向這里。在法拉第籠旁邊是火箭發(fā)射架，發(fā)射架上裝有引雷專用火箭。這是最新的型號，2008 年由中科院大氣物理所與陜西中天火箭公司合作研制，全稱為“人工引雷專用火箭YL-1”。這種火箭全用復(fù)合材料制成，分傘倉、開傘裝置、鋼絲繩、發(fā)動機(jī)和尾翼幾個部分。它具有空中拋傘和放線功能，放出的0.2 毫米鋼絲繩能有數(shù)百米長，為了增加導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度及耐火強(qiáng)度，有的導(dǎo)線外面還包上一層尼龍，導(dǎo)線末端和引流桿相連。

工作人員仔細(xì)地檢查了各條線路，檢查完畢后，他們回到控制室，等待雷神的到來?！耙滓菜闶强刻斐燥?，閃電不來，一點(diǎn)辦法都沒有，”參加引雷實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場科研人員介紹說。兩個小時后，雷神沒有如期而至，他們回到宿舍休息。

凌晨兩點(diǎn)，電話突然響起，是山東省氣象局打來的，雷暴馬上要來了。電腦液晶顯示屏幕上，只見一個巨大的云團(tuán)如變形蟲一樣，迅速地挪向?yàn)I州地區(qū)。

大家迅速套上雨鞋雨衣再次奔向控制室。這時，外面狂風(fēng)大作，風(fēng)中無形的氣流煩躁地上下翻滾，很快就大雨瓢潑。一個踉蹌，雨鞋陷入濕軟的土地，一個工作人員摔倒在地上，他趕緊用手將雨鞋從泥地中拔出，套在腳上，正當(dāng)他要繼續(xù)前行時，一個閃電咣當(dāng)打在離他不遠(yuǎn)的地面。管不了那么多，大家匆匆忙忙往控制室奔。宿舍和控制室的直線距離很近，但要繞過濕軟的棉花地，天氣又惡劣，往往到了控制室，鞋子里全是雨水，冰冷冰冷的。10 分鐘后，工作人員全體到達(dá)控制室。

當(dāng)火箭引雷入地

工作人員手持對講機(jī)，眼睛瞪著液晶屏上記錄的曲線，時不時用余光看看外面的棉花，另一只手則放在激光發(fā)射機(jī)的小紅點(diǎn)上，準(zhǔn)備隨時按下按鈕。這些曲線來自“大氣平均電場儀”，用于監(jiān)測雷暴產(chǎn)生的電場變化。雷電發(fā)生前，云層中的電場將會影響地面的電場。不一會兒，屏幕上的曲線開始眼花繚亂起來?！案鶕?jù)地面上的電場強(qiáng)度，可以大概推斷云層中的電場強(qiáng)度，以確定引雷時間?！惫ぷ魅藛T解釋說。

外面的風(fēng)不斷掃過棉花地，閃電也綿延不絕?！斑@不是引雷的好時機(jī)，雖然雷暴已當(dāng)頂，但風(fēng)太大，閃電太密集?！惫ぷ魅藛T解釋說，風(fēng)太大容易把火箭吹跑，而閃電太密集也不好，容易在火箭上升的過程中發(fā)生自然擊穿。

什么是自然擊穿呢?佛羅里達(dá)理工學(xué)院的約瑟夫#8226;杜艾爾曾打過一個比喻:可以想像一個三明治，地球和地球大氣上方的電離層是兩片導(dǎo)電性極好的面包片，而中間的地球大氣卻是良好的絕緣體。大地帶負(fù)電荷，而電離層則帶正電荷，兩者間的電壓相差約有30 萬伏。在雷雨云中，上升氣流和下降氣流導(dǎo)致水分子相互碰撞，雨滴就會帶上電荷，然后雷暴云會形成不同極性的電荷區(qū)。當(dāng)這些電荷積蓄到一定數(shù)量和強(qiáng)度時，就會發(fā)生擊穿放電。杜艾爾雖然用了很好理解的比喻解釋閃電的形成過程，但他本人并不認(rèn)同這種說法，因?yàn)槎嗄暌詠恚芯咳藛T還是沒能觀測到足夠強(qiáng)大、可以導(dǎo)致閃電釋放的電場的存在。

30 分鐘后，風(fēng)小了很多，起碼棉花沒搖晃得那么厲害，閃電也消停了些。依據(jù)大氣平均電場儀參數(shù)判斷，該是出手的時候了?！耙讜r機(jī)目前并沒有一個定量化的標(biāo)準(zhǔn)，具體什么時候發(fā)射火箭，除了電場儀給出的數(shù)據(jù)外，在一定程度上還要靠經(jīng)驗(yàn)?！?工作人員毫不猶豫地按下激光發(fā)射機(jī)上的紅色按鈕，幾乎在同一時間，發(fā)射場的火箭拖著長長的導(dǎo)線，以每秒200 米的速度沖向濃密的烏云，在雷暴云和地面之間形成了一個天地通道。火箭在雷暴電場下上升，如果雷暴云帶負(fù)電荷的話，由于靜電感應(yīng)，火箭頭部帶正電荷，導(dǎo)線一端帶負(fù)電荷，引流桿頂端則會帶正電荷?；鸺x雷暴云越近，感應(yīng)的電荷越多，電壓差達(dá)到一定程度時，“啪”一聲，閃電順著火箭上的鋼絲猛扎到地面。引雷成功?；鸺龤埡t隨降落傘緩緩落到地面。

乍一看這個工作沒什么太大的難度，不過是發(fā)射一枚小火箭而已，但有太多的因素影響引雷的成功。追蹤雷電不像去迪斯尼看米老鼠，去了就能看到。大自然也需要喘息，不知道哪里確切能有閃電。除了靠天吃飯，火箭發(fā)射速度也很關(guān)鍵，因?yàn)樘鞎褜?dǎo)線拉斷，引雷就難以成功;太慢不能沖破火箭頭部的屏蔽電荷層，同樣無法引雷落地。

雷電中的信息

當(dāng)年，富蘭克林在進(jìn)行風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)的同時，還使用原始的蓄電池萊頓瓶做了一系列動物試驗(yàn)。這些試驗(yàn)包括:要用多少個小萊頓瓶才能電死一只雞?如果換成火雞，需要多大的萊頓瓶?為什么被電死的火雞嘗起來味道比用一般方法殺死的火雞美味?據(jù)說富蘭克林敢于冒險進(jìn)行風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)的動力，就是為了給他的萊頓瓶充電?，F(xiàn)在，很多人也有這樣的幻想，通過火箭引雷蓄電。

地球上每天會有800 萬次雷電。一次閃電， 云和大地間的電壓可達(dá)1 億伏，電流強(qiáng)度可達(dá)10 萬安培，閃電的長度可達(dá)1 萬米，電火花的長度也只有十幾厘米，閃電的功率可達(dá)100 億千瓦，是我國葛洲壩水電站發(fā)電功率的幾千倍。雷電的確是一種強(qiáng)大的能源，能不能把這些能量安全地“引導(dǎo)”到地面上來，然后使本來隨機(jī)發(fā)生的自然雷電，在人工可控的狀態(tài)下服務(wù)于人類?

“想法很好，但需要走的路還很遠(yuǎn)。閃電的持續(xù)時間很短，一般就是一秒左右，就一次閃電而言，總的能量并不很多。要知道，收集雷電的電能并不像放個水盆接水那么簡單。我們并不知道它發(fā)生的時間和位置，怎么有效的收集?風(fēng)能有大氣的環(huán)流系統(tǒng)支撐，知道大的趨勢，雷電不能。”工作人員說。

除此以外，有報(bào)道稱“北京延慶縣許家營的一次人工引雷試驗(yàn)后，玉米地結(jié)出的玉米產(chǎn)量高于其他地塊四倍以上?！庇浾卟榭戳嗽嘉恼?，文章作者意思是說在“收獲時發(fā)現(xiàn)閃電擊地點(diǎn)及閃電主分流電流通路附近的大田玉米單株雙穗率和雄花結(jié)穗率比對照地段高出4 倍和2.8 倍”。而在山東引雷實(shí)驗(yàn)期間，雷電擊中的地方，由于電流入地后的徑向流動，半個月后，發(fā)現(xiàn)雷電擊地點(diǎn)附近的棉花都死掉了。雷電對農(nóng)業(yè)的作用究竟怎樣，看來還需更廣泛深入的研究。

如此說來，火箭引雷目前最重要的目的還是更好地研究雷電的物理機(jī)理和電磁輻射效應(yīng)，積累原始數(shù)據(jù)。

另外，可以用火箭引雷對雷電防護(hù)設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行效果檢驗(yàn)。記者打電話至普天中普防雷公司，詢問避雷針是否通過測試，客服給出的答案是避雷針都沒有測試，也沒法測試。沒有測試如何保證品質(zhì)?

工作人員說，在工程應(yīng)用上，除了能檢驗(yàn)防雷產(chǎn)品的優(yōu)劣，火箭引雷還能檢驗(yàn)雷電定位網(wǎng)的探測效率和定位誤差。雷電定位網(wǎng)實(shí)時監(jiān)測雷電發(fā)生的位置和時間，對于雷電引起的輸電線路故障和森林火災(zāi)位置的判斷非常有用。但是雷電定位網(wǎng)確定的閃電位置是否準(zhǔn)確，可以用火箭引雷來檢驗(yàn)。國外在這方面已經(jīng)做了很多工作，國內(nèi)類似的工作目前還很少?！斑@些工作正是我們正要著手去做的。”