人工引雷踏上雷电“探秘之旅”

  近日，中科院大气所开展了人工引雷试验活动。从网上公布的视频中来看，一枚尾部拖带有金属导线的迷你小火箭发射升空，飞行到数百米的高度时，突然一道闪电划破长空，直击地面，发出耀眼光芒，场面颇为震撼。

  这是一种叫作火箭-导线人工引雷（Rocket-and-wire triggered-lightning）的技术。相较于自然雷电，该技术对雷电的发生时间和地点具有一定的可控性，为雷电机理研究、雷电探测以及雷电防护技术的研发与测试等提供了重要的手段。

  “自然雷电的温度约为27000℃，这是太阳表面温度的6倍左右。”河北师范大学资源与环境科学学院教师张曼说，其储存的能量大约有50亿焦耳，相当于燃烧145升汽油所产生的能量。并且由于雷电的产生和消失几乎是瞬间完成的，其电功率可以说是非常之大。

  “地球上生命的诞生及其存在都与雷电有关。”张曼说，在洪荒时代，强烈的电击使原始大气中的四种气体——甲烷、氨、氢和水蒸汽分解，产生了氨基酸，经过无数年的演变，氨基酸成为具有新陈代谢机能的蓝藻。由于雷电的高压高热，臭氧层在大气中形成。臭氧层吸收掉了大部分危害生物的紫外线，蓝藻才得以继续演变和进化。经历了7亿年，地球上出现了今天的人类。

  张曼介绍，电闪雷鸣其实就是云中正电荷区与负电荷区之间，或云中电荷区与云外物体或地面的相反电荷区之间发生的放电现象。大自然里发生的这种放电，所产生的巨大火花，把空气中的氧气激发成臭氧，使空气中的负氧离子增多，雷阵雨过后，空气中弥漫的臭氧能净化空气，使空气格外清新。

  例如，2010年，安徽广德化工厂因雷电直击氧化甲乙酮车间而发生爆炸，并引起了大火，随后不断的连锁反应使灾难恶化。此外，森林火灾的罪魁祸首之一也是雷电，我国东北部黑龙江地区就是雷电引发森林火灾的多发区。2002年至2019年9月，黑龙江共发生雷击引发的森林火灾505起，其中大兴安岭为重灾区，火灾次数占全省的95%。

  由于雷电发生的具置凭借目前的科学技术很难预测到，雷电所带来的灾害也基本上没有针对性的防范措施，只能进行大范围的保护，这便有了人工引雷。

  “人工引雷指的是在雷暴环境下利用一定的装置和设施，人为在某一指定点触发闪电，并把闪电引到预知位置做科学试验。”张曼说。

  目前，通常是在雷暴条件很成熟的情况下，通过带钢丝的小型火箭将雷电人为地引发到地面，使本来随机发生的自然雷电在可控状态下进行。钢丝在向上发展过程中，会诱导形成一个雷电，雷电就会沿着这个导线打到地面上。

  雷电发生前，云层中的电场会影响地面上的电场。根据地面上的电场强度，可以大概推断云层中的电场强度，以确定触雷时间。当火箭飞到200米至400米高度时，就在雷暴云和大地之间建立了一条放电“通道”。

  那么，开展人工引雷有什么意义呢？专家解释说：“人工引雷是研究雷电放电物理过程、雷击效应及测试雷电探测设备、雷电防护技术和器件的重要手段。通过将闪电直接引到或间接作用到特定设备和器件上，研究人能研究雷电对这些设备和器件的破坏效应。”

  从20世纪60年代开始，美、法、中、日等都先后成功开展了人工引发雷电实验。中国科学院原兰州高原大气物理研究所（中科院原寒区旱区环境与工程研究所的前身）曾于1977年利用土火箭首次人工引雷成功，1989年利用专用引雷火箭引雷成功。

  中科院在山东滨州的人工引雷实验开始于2005年，并首次在国内测量到了峰值达数万安培的回击电流波形。2006年开始，中国气象局也在广东从化持续开展人工引雷实验。

  为进一步改进火箭的性能，大气物理所与中国航天总公司陕西中天火箭技术有限责任公司合作，2008年联合研发了新型人工引雷专用火箭，并在2009年的人工引雷实验中首次使用并取得成功。目前国内的人工引雷实验都使用了中科院研制的引雷火箭，成本比进口的引雷火箭低很多。

  截至目前，国内成功引发雷电总和估计超过300次，不仅在雷电科学研究方面取得了很多重要的发现，在国际学术界占有主体地位，也在防雷技术测试方面发挥了重要作用。

  然而，在科学家眼里，人工引雷是复杂而困难的，需要特殊的场地，需要技术非常精湛的科研团队且能严格地按照防护规程操作，需要找准时机。

  “人工引雷试验场地要在雷电多发地带，这种‘先天优势’能够为开展人工引雷试验提供非常好的自然条件。此外，雷电外场试验是与电压非常高、电流非常大、电磁辐射非常强的观测对象打交道，试验人员的安全始终要被放在首位。”专家这样认为，正因此，人工引雷试验一定要采取多方位的安全措施。

  首先，在发射火箭引雷时，所有试验人员都必须待在一个牢固可靠、接地良好的金属方舱内，这个金属方舱即使被雷击中，里面的人也是安全的。

  其次，闪电通道直接和近距离的测量设备是采用完全电隔离的方式，方舱内的所有设备也都采用了独立的供电方式。并且，在整个野外雷电试验期间，所有试验人员都必须严格遵守相关的规章制度和操作规范。

  人工引雷火箭拖着一条细细的钢丝，钢丝需要有足够的抗拉强度，要细、要轻，以减轻火箭的负荷。火箭发射后上升的速度也是决定能否成功引雷的关键。火箭的发射速度太快，容易将钢丝拉断而导致引雷失败；火箭太慢，不利于火箭冲破其尖端电晕放电产生的屏蔽层，同样难以引发雷电。

  人们也曾提出过其他几种方案，例如高压水柱引雷法、激光束引雷法、气球引雷法等。但是，目前尚没用这些方法引雷成功的记录或报道。

  “成功引雷的关键是准确估测空中电场强度。”专家说，可发生放电的电场强度一般为每米百千伏量级。现有观测手段不能直接探测云中电荷和空中电场分布情况，试验人员只可以通过测量地面大气电场推测空中电场强度及其变化趋势。

  然而，地面电场受设备架设条件、周围雷暴环境、地形、降水等多种因素影响，试验人员据此无法准确估测空中电场强度。引雷试验会考虑气象探测资料（如雷达回波）和地面电场变化，结合理论知识以及经验进行推测，其中存在比较大不确定性。

  此外，人工触发闪电的成功率与试验期间雷暴条件、触发方式、火箭质量、导线拖放情况也有关系。整体而言，引雷能否成功是多个因素综合的结果。

  “并非每次人工引雷都能成功。”专家这样认为，世界上有多个国家曾开展或仍在开展人工引雷试验。国内外人工引雷试验成功率大多在30%-40%，随着探测手段的丰富完善和科学家经验的不间断地积累，人工引雷的成功率会有所提升。

  由于雷电放电有着非常强的瞬时性，其能量往往在非常短的时间内被释放。因此，雷电瞬时功率非常强，目前还没有合适的能量储存器能经得起雷击的考验。

  “雷电出现时间和地点存在很大随机性，在一个固定地点发生的雷击很有限，即使对于几百米的高层建筑，每年被雷击中的概率也就几十次，因此收集雷电的能量并没那么容易。”张曼说。

  人工引下的雷电能量不易储存和应用。但是，专家这样认为，这种技术除了研究之外，实际上用途很多，对雷电防护设备的检验就是这里面之一。

  众所周知，随着高新技术的广泛应用，雷电防护的要求也慢慢变得高，而且对于雷电这种特殊的自然灾害而言，室内条件与室外相差极大，所以对各种各样的避雷针、消雷器以及雷电防护器件等防雷设施进行直接的雷电试验是十分必要的。

  “人工引雷技术为这样的试验提供了良好的条件，特别是空中人工引雷试验的成功，为咱们提供了更类似于自然闪电的可控雷电源，使各种雷电设施的检验和测试试验成为可能。”专家举例，比如在人工引雷点附近放置避雷针，观测人工引发闪电是首先移向避雷针还是其他物体，以检测避雷针的吸引能力和保护范围，以及对不同结构的避雷针进行相互比较；对各种消雷器产生的电晕电流进行观测，检验其消雷能力及各种防雷器件的可靠性等。

  关于这方面的应用研究，法国和日本进行了大量的试验研究并取得了多项成果，中国科学院兰州高原大气物理研究所和国家电力总公司也曾经就此方面做过合作。此外，中国科学院和中国气象局也正在将这项工作进一步推进。

  另外，我国地形地貌千差万别，不一样的地区的雷电强弱差别很大。因此，如何因地制宜进行科学的雷电防护，制订出具有我国自主知识产权的防雷标准，不间断地积累不一样的地区雷电流及其电磁场数据是十分重要的。张曼表示，这项工作也要进一步开展并将长时间坚持。