人工引雷

蔣如斌　劉冬霞

“雷車動地電火明，急雨遂作盆盎傾。”陸游的詩句反映了人們自古以來對雷電現(xiàn)象的好奇與想象。對于雷電的認(rèn)識、防護(hù)甚至未來的利用，至今仍是科學(xué)研究中的重要問題，而人工引雷則是解決這些問題的一個重要方法。

中國科學(xué)院大氣物理研究所的雷電研究團(tuán)隊日前在海南省成功開展了人工引雷實驗。值得一提的是，此次成功引發(fā)的雷電為正極性地閃，國際上一度認(rèn)為正極性引雷是極難捕捉的。

海南人工引雷實驗不僅驗證了低緯度地區(qū)實現(xiàn)人工引雷的可行性，更奠定了低緯度雷暴系統(tǒng)和雷電特征研究實驗基礎(chǔ)，開啟了我國低緯度地區(qū)人工引雷實驗的新征程。

從用“風(fēng)箏”到靠“火箭”

人工引雷，聽上去是一件很炫很神秘的事情，但從某種意義上可以說，人類最早對雷電的科學(xué)認(rèn)識就來自人工引雷。

我們熟知的18世紀(jì)科學(xué)家富蘭克林所做的風(fēng)箏實驗，讓人類第一次認(rèn)識到，天上的雷電和地上的電流具有完全相同的性質(zhì)。而本杰明·富蘭克林正是通過金屬絲拴的風(fēng)箏，把天上的雷電引入萊頓瓶中，并通過各種電學(xué)實驗，證明天上的雷電與人工摩擦產(chǎn)生的電具有完全相同的性質(zhì)。可以說，這就是最早的人工引雷。

大規(guī)模的人工引雷實驗開始于20世紀(jì)60年代。紐曼和布魯克兩位科學(xué)家最早提出了人工引雷的可能性——若將導(dǎo)線快速引入一定強(qiáng)度的電場中，就會產(chǎn)生放電現(xiàn)象。1967年，紐曼利用火箭拖帶導(dǎo)線在美國成功實施了人工引雷。之后，法國、中國、日本、巴西等國家也相繼引雷成功。

人工引雷地面裝置。圖片| 北京日報

中國的人工引雷實驗始于20世紀(jì)70年代，中科院原蘭州高原大氣物理研究所于1977年首次利用土火箭人工引發(fā)雷電成功，1989年利用專用引雷火箭引雷成功，2005年第一次測到了微秒量級時間分辨率的回?fù)綦娏鞑ㄐ危?008年成功研制了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代人工引雷火箭系統(tǒng)。依托引雷實驗，我國開展了多項科學(xué)性與應(yīng)用性研究?？梢哉f，凝聚了幾代“雷電人”努力與探索的引雷火箭，為雷電科學(xué)事業(yè)的發(fā)展作出了舉足輕重的貢獻(xiàn)。

為什么要做人工引雷實驗

從氣象科學(xué)上來說，雷電（閃電）是強(qiáng)對流過程的特征性天氣現(xiàn)象，雖然只發(fā)生在瞬間，卻伴隨著奪目的閃光、轟鳴的雷聲，雷電現(xiàn)象不僅有可能干擾通信、電子系統(tǒng)，造成電力系統(tǒng)中斷損壞，還會造成牲畜、人員傷亡，甚至?xí)蓴_鐵路交通的正常運(yùn)行，威脅空中飛行器安全，更嚴(yán)重的雷擊災(zāi)害還包括森林火災(zāi)、油庫大火、化工廠爆炸。

想要減弱并防止雷電帶來的災(zāi)害，就必須對它進(jìn)行深入的科學(xué)研究，充分理解雷電的產(chǎn)生機(jī)制和致災(zāi)機(jī)理。然而，考慮到自然閃電發(fā)生速度快、時間短，且位置隨機(jī)性極強(qiáng)的特點，對它進(jìn)行研究具有很大的困難。相較于自然閃電，人工引發(fā)雷電的發(fā)生時間和發(fā)生位置都處于實驗的控制之下，便于實施科學(xué)觀測和應(yīng)用測試，這樣一來，對于雷電發(fā)生發(fā)展機(jī)制的探索和對于雷電防護(hù)技術(shù)的研發(fā)就擁有了有力的手段。

人工引雷實驗不僅為認(rèn)識閃電發(fā)生、發(fā)展的物理本質(zhì)提供了良好條件，而且為雷電防護(hù)的測試與評估提供了實驗室無法模擬的真實雷擊。開展人工引雷實驗?zāi)軌蜻M(jìn)行雷電放電的物理過程機(jī)理和電磁輻射效應(yīng)研究。具體而言，可以進(jìn)行雷電物理參數(shù)測量，比如進(jìn)行自然雷電當(dāng)中難以實現(xiàn)的雷電放電電流測量、近距離乃至極近距離電磁場測量、閃電產(chǎn)生高能輻射的測量以及通過多種測量手段揭示以前沒有認(rèn)識或者認(rèn)識較為模糊的雷電放電新現(xiàn)象，厘清雷電的形成機(jī)理、發(fā)展傳輸特征。

人工引雷可定量開展雷擊致災(zāi)機(jī)理研究和真實雷擊條件下的雷擊防護(hù)測試。以往，雷擊防護(hù)設(shè)備的有效性測試主要通過實驗室模擬放電來實現(xiàn)，但實驗室的雷擊測試很難同時構(gòu)建自然雷電“高壓”“大電流”特征，與真實雷擊環(huán)境是有差別的。

人工引雷除了不能再現(xiàn)自然雷電的首次回?fù)粢酝?，其他放電過程與自然雷電是幾乎相同的，即構(gòu)建了自然雷暴天氣條件下的真實雷擊。由于位置已知，所以可以開展雷擊致災(zāi)關(guān)鍵參量的測量并針對雷擊防護(hù)設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行測試評估，比如為防雷技術(shù)方案的完善提供重要數(shù)據(jù)，特別是通信、電力、化工等行業(yè)的雷擊敏感設(shè)施防護(hù)。

人工引雷實驗是怎樣進(jìn)行的

自然閃電通常發(fā)生在雷暴云，即具有一定起電和雷電活動的對流活動旺盛的云中，這也是開展人工引雷作業(yè)的必要條件。通俗地講，人工引雷就是把即將發(fā)生的自然雷電，提前幾十到幾百毫秒人為誘發(fā)到指定位置，使其在指定的時間和指定的地點發(fā)生。引雷的最好時機(jī)是自然雷電即將發(fā)生但尚未發(fā)生之時，引雷作業(yè)需要根據(jù)強(qiáng)對流天氣實況、地面大氣電場、自然雷電發(fā)生頻率等信息，判斷頭頂雷暴云的起電狀況，確定發(fā)射引雷火箭的時機(jī)，一般要求雷暴云的對流比較旺盛、起電相對劇烈。

中科院大氣物理研究所正在進(jìn)行人工引雷實驗。圖片| 北京日報