【天空出現“金箍棒”!人工引雷技術知多少】還記得中科院“人工引雷”的高能視頻嗎?一道閃電從天而降,宛若孫大聖的“金箍棒”一般筆直入地。這高能爆燃的一幕其實只是常見的雷電現象,但不同的是,這一次它是被中科院大氣物理研究所(以下簡稱大氣物理所)的科研人員人工引發而產生的。

圖:工作人員遠程發射專用引雷火箭。大氣物理所供圖

人工引雷危險嗎?成功率有多高?人工引雷的目的是什麼?對於我們應對雷暴災害有哪些幫助?帶著這些問題,《中國科學報》近日專訪了視頻中開展人工引雷的團隊成員——中科院大氣物理所中層大氣和全球環境探測重點實驗室副主任、副研究員蔣如斌及研究員郤秀書。

初識人工引雷:人類控制利用雷電夢想成真

《中國科學報》:請簡要介紹一下人工引雷這項技術。

蔣如斌:人工引雷是指向起電的雷暴雲體發射拖帶金屬導線的專用引雷火箭以引發雷電的專門技術,被稱為“火箭—拖線人工引雷技術”。通常在合適的雷暴電場條件下,當引雷火箭上升達到200米左右的高度時即可引雷成功。

《中國科學報》:人工引雷是近年來興起的嗎?中間經曆了怎樣的發展?

郤秀書:其實,人工引雷實驗已不是新鮮事物了。從20世紀60年代開始,美、法、中、日等都先後成功開展了人工引發雷電實驗。中國科學院原蘭州高原大氣物理研究所(中科院原寒區旱區環境與工程研究所的前身)曾於1977年利用土火箭首次人工引雷成功,1989年利用專用引雷火箭引雷成功。

我們在山東濱州的人工引雷實驗開始於2005年,並首次在國內測量到了峰值達數萬安培的回擊電流波形。2006年開始,中國氣象局也在廣東從化持續開展人工引雷實驗。

為進一步改進火箭的性能,大氣物理所與中國航天總公司陝西中天火箭技術有限責任公司合作,2008年聯合研發了新型人工引雷專用火箭,並在2009年的人工引雷實驗中首次使用並取得成功。目前國內的人工引雷實驗都使用了我們研制的引雷火箭,成本比進口的引雷火箭低很多。

截至目前為止,國內成功引發雷電總和估計超過300次,不僅在雷電科學研究方面取得了很多重要的發現,在國際學術界占有重要地位,也在防雷技術測試方面發揮了重要作用。

可以說,人工引雷使得人類控制雷電、利用雷電的夢想成為了現實。我國的人工引雷科學實驗發展到今天,背後凝聚著三四代人的不斷努力和探索,成果來之不易。

《中國科學報》:人工引雷的操作危險嗎?現場需要做哪些防護措施?

蔣如斌:雷電具有高電壓、大電流、強電磁輻射的特徵,與之打交道在客觀上確實存在很大的危險性。不過,開展科學研究,安全始終是第一位的,我們的人工引雷實驗對人員和儀器設備的安全都做了比較周全的考慮,采取了科學的防護措施,因此總體上是安全的。

《中國科學報》:都采取了哪些科學的防護措施?

蔣如斌:比如,通過一定的技術設計,使得所引發的雷電直接擊到一個接閃引流杆,最終看似“高能”的雷電電流通過這個引流杆泄放到了大地,雷擊被限定在固定的火箭發射架區域。

另外,在距離火箭發射架幾十米左右的地方,建有一個具有很好接地、屏蔽功能的控制室,實驗人員在控制室內進行操作,通過光纖下達發控指令,所有電流、電磁輻射等測量信號也傳輸到這個控制室進行記錄,確保引發雷擊區域之間的“電隔離”。室內還配備有獨立的發電機進行供電,也保證了室內觀測實驗的安全。

《中國科學報》:什麼天氣條件下適宜開展人工引雷作業?如何把握引雷的最好時機?

蔣如斌:自然界中,絕大部分雷電發生於對流旺盛的雷暴雲中,即具有一定起電和雷電活動的強對流雲中,這也是開展人工引雷作業的必要條件。通俗地講,人工引雷就是把即將發生的自然雷電,提前幾十到幾百毫秒人為誘發到指定位置,使其在指定的時間和指定的地點發生。

引雷的最好時機是自然雷電即將發生但尚未發生之時,引雷作業需要根據強對流天氣實況、地面大氣電場、自然雷電發生頻率等訊息,判斷頭頂雷暴雲的起電狀況,確定發射引雷火箭的時機,一般要求雷暴雲的對流比較旺盛、起電相對劇烈。

再看人工引雷:科學認識雷電用途多多

《中國科學報》:人工引雷的主要用途是什麼?

郤秀書:目前為止,人工引雷的最主要的目的還是為了更科學地認識雷電。人工引雷可以在一定的時間和空間可控狀態下進行,為集中多種觀測設備對雷電進行直接和近距離測量提供了條件,比如:雷電的放電電流直接測量和近距離電磁場的測量,從而有助於解雷電的物理過程和電荷傳輸特徵、放電強度、電磁輻射特徵,以及雷電與地面目標物的相互作用等。隨著人工引雷技術趨於成熟,人工引雷實驗不僅在科學研究發揮著重要作用,也在通訊、石化、電力等行業的雷電防護技術測試,以及雷電定位系統的效果評估等方面得到了應用。當然,我們雷電研究的目的,也希望有朝一日能更好的幹預和影響雷電、控制雷電,甚至安全利用雷電,但這都要建立在對雷電的科學認識之上。

《中國科學報》:如何做“真實條件下的雷擊防護測試”?

郤秀書:以往,雷擊防護設備的有效性測試主要基於高壓實驗室模擬的長間隙放電開展,但實驗室的模擬雷擊很難同時構建自然雷電“高電壓”“大電流”等特徵,與實際雷擊環境是有差別的。人工引雷除了不能再現自然雷電擊中地面時的首次回擊及其之前的過程以外,其他放電過程與自然雷電是幾乎相同的,屬於自然雷暴天氣條件下的真實雷擊。由於位置確定,便於對雷擊致災的關鍵參量進行測量、並對雷擊防護設備的性能進行測試評估,獲取重要的測試數據從而支撐相應雷電防護技術的提升與完善。已開展的測試對象包括通訊、電力、石油化工等行業當中雷擊敏感設施(如通訊基站鐵塔、輸電線路、儲油罐等)的防護系統等。

《中國科學報》:“雷電定位系統”是什麼,它主要發揮哪些作用?

郤秀書:雷電定位系統主要是用於確定雷電發生的時間、位置、強度和類型等特徵的一種雷電測量裝置。通常是利用相距一定距離的多個測量站來同步測量雷電放電過程產生的不同頻段的電磁波,再通過一定的定位原理和算法設計,來反演確定放電事件的發生時間、位置等訊息,它是觀測和定量研究雷電的重要基礎,也是進行雷電監測預警的重要手段。

根據目的不同,可以建立不同類型的閃電定位系統。比如,對於科學研究來說,關心的是閃電發展傳輸的全過程,需要對一次閃電放電的全過程進行高精度高時間解析度的三維成像定位,近10年來,類似的定位系統在國內外研究機構中發展非常迅速。而對於業務化的閃電監測而言,可能更關心地閃打到地上的時間、擊地位置、峰值電流強度等,這些訊息可幫助進行森林雷擊火災的判別,雷擊輸電線路故障點查找等。業務化的閃電定位系統在氣象、電力、林業、航空等部門都有廣汎的應用,甚至在航天發射中也都配備有雷電定位系統。

展望人工引雷:仍有待解之謎

《中國科學報》:人工引雷的雷電能量可以存儲嗎?

郤秀書:目前還沒有存儲雷電能量的設想,這主要是因為一次雷電的能量並不大。

雷電是一種瞬時放電過程,其瞬時功率非常強,峰值功率可以達到10億千瓦,峰值電流可以達到幾十萬安培,但這種高功率的持續時間僅在微秒量級,一次閃電能量約為10^9焦耳,差不多可供30個100瓦的燈泡照明100 小時。因此閃電雖然有強大的瞬時功率,可以造成巨大的破壞力,但能量很小,存儲下來的利用價值微不足道,或者說性價比不高。

《中國科學報》:人工引雷能夠引起雨量增加或者減少冰雹災害嗎?

郤秀書:有研究認為人工引雷發生後,通道附近會出現降水傾瀉的現象,成功進行人工引雷實驗的雷暴也有冰雹減少的現象,但是目前觀察的這種現象的資料太少,不具有統計意義。

人工引雷和人工降雨增加降水、減少冰雹的原理不同。人工降雨和人工消雹技術是通過飛機、火箭、大炮等向雲中播撒碘化銀等催化劑,改變雲微物理過程,實現提前或延緩降水、增加或減少降水及消減冰雹的目的。人工引雷後降雨的增加可能是由於雷電導致帶電的雨滴等所受電場力驟降,短時間內的降水強度突然增加,其影響的時間和空間范圍有限。

《中國科學報》:人工引雷能否“引”出或者捕捉、控制球狀閃電?

蔣如斌:至今,尚無任何證據表明人工引雷曾“引”出過球狀閃電。球狀閃電的發生比較罕見,因此對球狀閃電的有效觀測結果還很少,目前,學術界對球狀閃電發生機理的認識還存在很大爭議。

《中國科學報》:我們對雷電的認識還有哪些亟待探索的問題?

郤秀書:實際上關於閃電,人類還有很多問題沒有解決。比如:閃電如何在雲內始發?閃電通道如何發展傳輸?雷電電荷如何傳輸?閃電放電過程中的能量如何分配?閃電發生時的雲內電場有多強?閃電是否可以產生高能X射線和伽馬射線?

甚至還有一些閃電的基本問題,如:為什麼有些閃電僅發生在雲內,有些會打到地上?不同閃電的強度、發展特徵等為何不同?看似有很大隨機性的閃電到底有哪些共性規律和不同?哪些地方更易遭受雷擊?等等。http://t.cn/A6IzCbhC

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