人工引雷如何牵着雷电鼻子走

2021-09-29 09:55:30 来源：

　　雷车动地电火明，急雨遂作盆盎倾。陆游的诗句反映了人们自古以来对雷电现象的好奇与想象。对于雷电的认识、防护甚至未来的利用，至今仍是科学研究中的重要问题，而人工引雷则是解决这些问题的一个重要方法。

　　中国科学院大气物理研究所的雷电研究团队日前在海南省成功开展了人工引雷实验。今天，我们约请团队专家聊聊有关人工引雷的科学问题。

　　人工引雷从用风筝到靠火箭

　　人工引雷，听上去是一件很炫很神秘的事情，但从某种意义上可以说，人类最早对雷电的科学认识就来自于人工引雷。

　　我们熟知的18世纪科学家富兰克林所做的风筝实验，让人类第一次认识到，天上的雷电和地上的电流具有完全相同的性质。而本杰明·；富兰克林正是通过金属丝拴的风筝，把天上的雷电引入莱顿瓶中，并通过各种电学实验，证明天上的雷电与人工摩擦产生的电具有完全相同的性质。可以说，这就是最早的人工引雷。

　　大规模的人工引雷实验开始于20世纪60年代。纽曼和布鲁克两位科学家最早提出了人工引雷的可能性&mdash；&mdash；若将导线快速引入一定强度的电场中，就会产生放电现象。1967年，纽曼利用火箭拖带导线在美国成功实施了人工引雷。之后，法国、中国、日本、巴西等国家也相继引雷成功。

　　中国的人工引雷实验始于20世纪70年代，中科院原兰州高原大气物理研究所于1977年首次利用土火箭人工引发雷电成功，1989年利用专用引雷火箭引雷成功，2005年第一次测到了微秒量级时间分辨率的回击电流波形，2008年成功研制了拥有自主知识产权的新一代人工引雷火箭系统。依托引雷实验，我国开展了多项科学性与应用性研究。可以说，凝聚了几代雷电人努力与探索的引雷火箭，为雷电科学事业的发展作出了举足轻重的贡献。

　　为什么要做人工引雷实验

　　从气象科学上来说，雷电（闪电）是强对流过程的特征性天气现象，虽然只发生在瞬间，却伴随着夺目的闪光、轰鸣的雷声，雷电现象不仅有可能干扰通讯、电子系统，造成电力系统中断损坏，还会造成牲畜、人员伤亡，甚至会干扰铁路交通的正常运行，威胁空中飞行器安全，更严重的雷击灾害还包括森林火灾、油库大火、化工厂爆炸。

　　想要减弱并防止雷电带来的灾害，就必须对它进行深入的科学研究，充分理解雷电的产生机制和致灾机理。然而，考虑到自然闪电发生速度快，时间短，且位置随机性极强的特点，对它进行研究具有很大的困难。相较于自然闪电，人工引发雷电的发生时间和发生位置都处于实验的控制之下，便于实施科学观测和应用测试，这样一来，对于雷电发生发展机制的探索和对于雷电防护技术的研发就拥有了有力的手段。

　　人工引雷实验不仅为认识闪电发生、发展的物理本质提供了良好条件，而且为雷电防护的测试与评估提供了实验室无法模拟的真实雷击。开展人工引雷实验能够进行雷电放电的物理过程机理和电磁辐射效应研究。具体而言，可以进行雷电物理参数测量，比如进行自然雷电当中难以实现的雷电放电电流测量、近距离乃至极近距离电磁场测量、闪电产生高能辐射的测量以及通过多种测量手段揭示以前没有认识或者认识较为模糊的雷电放电新现象，厘清雷电的形成机理、发展传输特征。

　　人工引雷可定量开展雷击致灾机理研究和真实雷击条件下的雷击防护测试。以往，雷击防护设备的有效性测试主要通过实验室模拟放电来实现，但实验室的雷击测试很难同时构建自然雷电高压大电流特征，与真实雷击环境是有差别的。人工引雷除了不能再现自然雷电的首次回击以外，其他放电过程与自然雷电是几乎相同的，即构建了自然雷暴天气条件下的真实雷击。由于位置已知，所以可以开展雷击致灾关键参量的测量并针对雷击防护设备或系统进行测试评估，比如为防雷技术方案的完善提供重要数据，特别是通讯、电力、化工等行业的雷击敏感设施防护。

　　人工引雷实验是怎样进行的

　　自然闪电通常发生在雷暴云，即具有一定起电和雷电活动的对流活动旺盛的云中，这也是开展人工引雷作业的必要条件。通俗地讲，人工引雷就是把即将发生的自然雷电，提前几十到几百毫秒人为诱发到指定位置，使其在指定的时间和指定的地点发生。

　　引雷的最好时机是自然雷电即将发生但尚未发生之时，引雷作业需要根据强对流天气实况、地面大气电场、自然雷电发生频率等信息，判断头顶雷暴云的起电状况，确定发射引雷火箭的时机，一般要求雷暴云的对流比较旺盛、起电相对剧烈。

　　除了对引雷机会的把握，小小的引雷火箭也大有玄机。引雷火箭包含火箭本身和火箭后端的一个缠绕着钢丝的线盘，发射升空后，钢丝会被拉伸张开，形成一条直达地面的放电通道。总的来说，人工引雷作业时，实验人员会根据当时的天气条件进行综合判断，条件合适时，当机立断按下开关，光纤控制系统点火后，火箭随即以约200米/秒的速度升空，快速上升的火箭头部会引发大气中电场的局部变化，当这种变化突破了一定的阈值，就会激发闪电的初始阶段&mdash；&mdash；先导，向上先导发展至雷暴云的电荷区，将云中大量电荷通过已建立的通道向大地释放，并产生耀眼的闪电通道和响亮的雷声，由于钢丝的末端连接固定在法拉第笼的金属接闪杆上，研究人员得以通过事先架设的各种设备对雷电电流、高能辐射、电场磁场等进行测量。

　　人工引雷应用前景广阔

　　人工引雷能为可应用、可实操的人工影响雷暴、人工影响雷电新方法或技术体系等提供科学认识基础。当然，雷电研究的最终目的是希望有朝一日能更好地干预和影响雷电、控制雷电，甚至安全利用雷电，但这都要建立在对雷电的科学认识之上。

　　实现天气的可控性一直都是人类的美好愿望，对于雷电也不例外。虽然现在的科学水平还并未达到这一高度，但我们已经掌握了一定程度上的人工影响和消减雷电技术，通过不断的实验和探索，我们对于雷电的认识会不断深入，而雷电科学与人工引雷技术也必将不断进步，为日益发展的工业、林业，乃至国防、航空航天事业保驾护航。到那时，我们便可以更好地干预和影响雷电、控制雷电，甚至安全利用雷电。

　　当然，人们关注度最高的一个问题是雷电能量能否存储。必须看到，相较于火力发电、水力发电等人们所熟知的发电方式，闪电的能量具有很大的不可控和不稳定性，特别是虽然雷电的瞬时功率非常强，但其持续时间却很短暂，一次闪电能量约为109焦耳，差不多可供30个100瓦的灯泡照明100小时，因此它的能量实际上并不很大，存储雷电能量的性价比并不高。此外，由于雷电能量瞬时高功率特征，对存储材料有着极高的要求，目前尚无合适的材料能够满足这一需求。综合以上考量，雷电能量的储存和利用在目前既不划算，也难以实现。