掌控雷電的“超能力”

鳳琴

“轟隆”一聲，雷電當(dāng)頭劈下，砸中了樹下避雨的人，接著點(diǎn)燃了落葉堆，大火熊熊燃起……作為一種常見的天氣現(xiàn)象，雷電時(shí)不時(shí)就會(huì)給我們帶來(lái)意外事故和損失，如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？現(xiàn)在人類已經(jīng)掌握了人工降雨和人工消雹等改變氣象的方法，那么我們能掌控雷電嗎？

人工引雷初現(xiàn)

人類掌控雷電的方法的靈感來(lái)源于一次偶然發(fā)現(xiàn)：1961年，美國(guó)氣象學(xué)家布魯克發(fā)現(xiàn)，美國(guó)海軍在切薩皮克灣進(jìn)行了一次水下炸彈爆炸實(shí)驗(yàn)，爆炸產(chǎn)物形成的羽狀流從雷暴云（伴有閃電的積雨云）上牽引下一道閃電。于是，布魯克想，我們能不能仿照爆炸物羽狀流，將雷電從天上引下來(lái)呢？

布魯克用琴弦、鋼絲等可導(dǎo)電的物體做了許多次實(shí)驗(yàn)，他將多個(gè)氣球栓在幾千米長(zhǎng)的導(dǎo)線頂端，然后在雷暴云下方放飛氣球，想看看閃電能不能通過(guò)導(dǎo)線被引下來(lái)。但是，無(wú)論布魯克怎么更換導(dǎo)線的材質(zhì)，仍然沒(méi)有一次看到閃電順著導(dǎo)線落下，僅在鋼絲上測(cè)量到幾毫安的電流強(qiáng)度。

比較了爆炸物羽狀流和實(shí)驗(yàn)條件的差異后，布魯克猜測(cè)，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，瞬間聚集的大量電荷形成了屏蔽層，阻止了電流的流動(dòng)，只有快速運(yùn)動(dòng)突破屏蔽層，電流才能產(chǎn)生。隨后，布魯克設(shè)計(jì)了另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)，以20米/ 秒的速度將一個(gè)接地導(dǎo)線穿入到強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境中，觀測(cè)到了電流在導(dǎo)線上流竄而過(guò)的現(xiàn)象。由此，布魯克得出結(jié)論，只要導(dǎo)線移動(dòng)速度足夠快，能夠穿破電荷屏蔽層，就能在導(dǎo)線尖端形成放電現(xiàn)象。

那么，在實(shí)際操作中，上天速度最快的是什么呢？人們很快想到了火箭。1966年8月，美國(guó)科學(xué)家首次在位于佛羅里達(dá)州臨海附近的艦船上實(shí)施人工引雷，他們?cè)谛⌒突鸺奈膊克┥弦桓鶚O細(xì)的鋼絲，然后向著雷暴云發(fā)射火箭。在本次試驗(yàn)中，科學(xué)家們嘗試了23次，其中17次成功了，積累下了豐富的經(jīng)驗(yàn)。后來(lái)，法國(guó)、日本和中國(guó)等國(guó)家相繼成功實(shí)現(xiàn)了人工引雷。現(xiàn)在，各國(guó)每年都會(huì)進(jìn)行約幾十次的人工引雷實(shí)驗(yàn)。

掌控雷電的要領(lǐng)

人工引雷的方法說(shuō)起來(lái)好像很簡(jiǎn)單，不過(guò)是向空中“放箭”而已，但其實(shí)想要成功引雷很不容易。

首先要滿足“天時(shí)地利”的條件：時(shí)間應(yīng)選空中聚集大量電荷時(shí)，即閃電前夕或雷暴“中場(chǎng)休息”的時(shí)候，地點(diǎn)應(yīng)選雷電多發(fā)地帶。只有滿足這兩個(gè)條件，才能保證雷電能被成功引發(fā)。因此科學(xué)家們?cè)谝浊耙鲈S多監(jiān)測(cè)和計(jì)算工作。

其次是火箭和導(dǎo)線的選擇。小型火箭造價(jià)不高，在一次實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)射多個(gè)火箭，而且小火箭也有利于控制運(yùn)動(dòng)速度?；鸺陌l(fā)射速度太快，容易將鋼絲拉斷而導(dǎo)致引雷失敗;火箭太慢，不利于沖破屏蔽層，同樣難以引發(fā)雷電，目前各國(guó)的引雷火箭速度都控制在100～200米/秒。

在實(shí)際引雷中，導(dǎo)線一般采用直徑為0.2毫米的細(xì)鋼絲或銅絲。為了增加銅絲的機(jī)械強(qiáng)度，還要在銅絲外面包上一層高強(qiáng)度的凱夫拉纖維。為了防止火箭高速上升將導(dǎo)線拉斷，導(dǎo)線與火箭之間常常還接有一段松緊帶。導(dǎo)線是否接地也有講究，如果要模擬自然閃電的形成過(guò)程，導(dǎo)線不能直接接地，而是通過(guò)一定長(zhǎng)度的尼龍繩再接地，這樣形成的閃電就很“天然”，有利于科學(xué)家們研究閃電的成因。導(dǎo)線直接接地時(shí)，引雷更容易成功，同時(shí)會(huì)向空氣中釋放大量負(fù)氧離子，有消毒殺菌、凈化空氣的作用。

人工引雷試驗(yàn)非常危險(xiǎn)，因此，操作時(shí)必須采取嚴(yán)格的安全措施。在選定的引雷場(chǎng)地，需要安裝一個(gè)牢固可靠、有良好的屏蔽和接地的金屬方艙，即“法拉第籠”，即使法拉第籠被雷擊中，里面的試驗(yàn)人員也不會(huì)觸電。整個(gè)引雷過(guò)程中，所有試驗(yàn)人員必須待在法拉第籠中，除了這里，方圓百米的距離都人畜勿近?；鸺l(fā)射架安裝在法拉第籠周圍，確保引下來(lái)的雷電落點(diǎn)就在附近。距法拉第籠幾十米的距離，還安裝著能自動(dòng)檢測(cè)閃電電磁數(shù)據(jù)的設(shè)備，科研人員能更安全地得到數(shù)據(jù)。

激光：人工引雷新方向

具備了以上條件，人工引雷才有可能成功，但是否成功還是要看天意，因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)手段還不能直接探測(cè)空中電場(chǎng)強(qiáng)度，發(fā)射了火箭后不一定真的能引下雷電。綜合來(lái)看，世界各國(guó)發(fā)射火箭引雷的成功率約為60%。而一旦引雷失敗，如何安全回收可能帶電的導(dǎo)線也是一個(gè)難題，因此人工引雷仍是一個(gè)困難且危險(xiǎn)的操作。

為了提高引雷的成功率和安全性，科學(xué)家們想出了一些引雷的新方法，水柱引雷、微波引雷、火焰引雷和激光引雷等。激光引雷是目前最具有實(shí)操性的新方法。

1974年，美國(guó)科學(xué)家保爾最早提出激光引雷的概念，可是很長(zhǎng)一段時(shí)間，科學(xué)家們都沒(méi)想出方法實(shí)現(xiàn)這個(gè)操作。直到1994年，中國(guó)科學(xué)家王道洪等人才想出了激光引雷的可行方法——利用鐵塔尖端附近的強(qiáng)電場(chǎng)進(jìn)行激光引雷。在雷暴云電場(chǎng)環(huán)境下，由于靜電感應(yīng)作用，塔頂附近存在強(qiáng)電場(chǎng)，此時(shí)將激光聚焦于塔頂?shù)纳峡諘r(shí)，激光可在此區(qū)域“點(diǎn)火”，產(chǎn)生一個(gè)向上的電流，該電流不斷匯聚電荷，從而最終觸發(fā)閃電。

基于這個(gè)理論，日本大阪大學(xué)的研究小組在常有雷暴發(fā)生的一座小山上建了一座50米高的鐵塔，進(jìn)行了激光引雷的野外實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，雷暴期間塔頂上確實(shí)存在激光觸發(fā)放電所需要的電場(chǎng)強(qiáng)度。但雷云過(guò)頂時(shí)，受雪和雨的影響，激光強(qiáng)度嚴(yán)重衰減，以至于無(wú)法實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”。想要成功點(diǎn)火，需要更大的激光發(fā)生器產(chǎn)生更強(qiáng)的激光，成本和設(shè)備規(guī)模再次限制了激光引雷的發(fā)展。

好在最近，澳大利亞國(guó)立大學(xué)的科學(xué)家想出了一個(gè)用小型激光器“點(diǎn)火”的方法，也許距離激光引雷的成功已經(jīng)不遠(yuǎn)了。研究小組在兩個(gè)通電的金屬板之間添加了一些石墨烯微粒，然后用實(shí)驗(yàn)室專用的激光器向金屬板發(fā)射激光，觀察激光束是否可以引發(fā)電流。實(shí)驗(yàn)所用的激光強(qiáng)度只是計(jì)算出的可以引發(fā)閃電的最低激光強(qiáng)度的千分之一，但結(jié)果令人訝異：這樣低強(qiáng)度的激光束仍然引發(fā)了“閃電”。如果在野外實(shí)操中，石墨烯微粒也能降低點(diǎn)火需要的激光束強(qiáng)度，這種新方法將成為人工引雷的最優(yōu)方案。

掌握了人工引雷的“超能力”，我們不僅能改變雷電的落點(diǎn)，最大可能地消除雷電的危害，還能利用雷電生產(chǎn)化肥（將空氣中的氮?dú)夂脱鯕怆婋x成離子，結(jié)合成天然氮肥）、人工育種（產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁輻射，誘發(fā)農(nóng)作物變異）和清新空氣（制造負(fù)氧離子，凈化空氣）。未來(lái)，雷電說(shuō)不定還能成為可控的環(huán)保新能源呢。