對話引雷人:讓捉摸不定的雷電,在指定時間地點發生

2022年08月13日18:59

每年夏天,山東省濱州市沾化區久山村都會迎來一撥年輕人。在徒駭河岸邊,他們通過發射火箭進行人工引雷,讓雷電在指定的時間和地點發生,以便更好地研究雷電並測試防雷技術。他們就是中國科學院大氣物理研究所人工引雷團隊。

去年夏天,他們的引雷實驗短視頻因畫面炫酷,在網上“爆火”,引雷團隊也隨之走入公眾視野。當下正值雷雨頻發的季節,他們又再次駐紮在久山村,時刻等待著雷電的到來。

人工引雷實驗如何進行?有何應用?對此,新京報記者對中國科學院大氣物理研究所研究員蔣如斌進行採訪。

■談引雷實驗:

讓雷電在可知可控的條件下發生,以便更好研究

新京報:為什麼要開展引雷實驗?

蔣如斌:雷電不僅會造成雷擊事故,還會引起輸配電線路損毀,導致城鄉大規模停電;它也會引燃化工原料,使化工廠、油庫劇烈爆炸;還會造成廣播、通訊中斷,甚至嚴重威脅到航空航天等人類活動的安全。

在自然界,雷電產生於強對流天氣系統中,具有極強的瞬時性和隨機性,人們目前仍無法準確地提前預知雷電發生的行蹤和軌跡,這給定量探索雷電的物理性質和特徵帶來了極大的困難。

如果有辦法讓雷電在指定的時間和地點發生,就可以對它進行更好的研究。人工引雷,就是一項讓雷電在可知可控的條件下發生的技術。

新京報:人工引雷實驗是如果進行的?

蔣如斌:人工引雷技術,是指向已經起電、攜帶了電荷的雷暴雲發射拖帶金屬導線的專用引雷火箭,從而人為誘發雷電的技術,通常被稱為“火箭-拖線人工引雷技術”。

我們通常在火箭發射場的觀測控製室中,控製發射火箭。當天空中形成了攜帶電荷的雷暴雲,我們就將2.4公斤的引雷小火箭點火發射,火箭的上升速度在每秒190米左右。火箭尾翼上固定著線軸,線軸上盤繞著幾百米長的細鋼絲,鋼絲的一端固定在地面上。隨著火箭的上升,鋼絲被快速地拉伸開,形成一條筆直的接地金屬通道。

引雷火箭實際上只能飛到離地幾百米的高度,而強對流雲的電荷區一般在幾公里的高度以上。由於鋼絲通道處於雷暴雲形成的強電場環境中,在尖端的位置處,強烈的電場畸變效應(尖端效應)導致尖端放電過程,形成迅速向上傳輸的放電通道,最終架起了雲和大地之間的放電“橋樑”,於是雲和大地之間發生劇烈的放電過程,從而成功地引發了雷電。雷電流經由火箭拖曳的導線傳至與之相連的接閃杆——即避雷針上,再經由引下線向大地泄散。

人工引雷畫面。受訪者供圖
人工引雷畫面。受訪者供圖

新京報:科研人員如何精準判斷雷電將至,從而進行準備?

蔣如斌:我們結合天氣預報結果,並查看天氣雷達、大氣電場儀、雷電定位系統等的實時監測結果,就能比較清楚地瞭解強對流天氣系統當前所處的位置,以及接下來可能移動的方向。

通俗地講,雷暴天氣系統中,對流抬升空氣,水汽在幾公里至十幾公里高空的低溫環境中,形成液態或固態的雲滴、雨滴、冰晶、雪花、霰、冰雹等,這些水成物粒子由於發生相互碰撞和分離而攜帶上一定量的電荷,不同類型的粒子在氣流和重力的作用下分層聚集,最終產生雷暴強電場,致使雷電得以發生。

雷達向空間發射電磁波,電磁波遇到障礙物,比如雨滴、冰晶、冰雹,就會發生反射、折射等,形成回波。在地圖上,當發現雷達探測區域內出現黃色或者紅色的強回波,就表明該處生成了強對流天氣系統。基於實時探測的雷達回波圖,我們可以確定強對流天氣的生消狀態和移動方向、速度,再結合大氣電場強度、雷電活動的探測結果,就能夠較好地掌握雷暴系統的發展動向,預判雷雨對實驗站的影響,提前一到兩小時進行引雷作業準備。

新京報:如何掌握髮射火箭的精準時機?

蔣如斌:一定程度上,人工引雷可以理解為把即將發生的自然雷電,提前誘發到指定位置。雷暴雲中,需要電場足夠強才能激發雷電,換言之,雲內電場逐漸增強的過程就相當於雷電孕育的過程。

當然,雲內的電場很難進行直接探測和實時獲取,我們將測量大氣電場強度的設備安裝在地面,從而獲得地面大氣電場的演變狀態,其能在一定程度上表徵雲中的電荷聚集程度及電場強度,當大氣電場儀測得的電場顯著增強,說明雲中的電荷量大、電場強,已形成了雷電發生的良好條件。

同時我們也使用雷電定位系統,通過在一定區域範圍內分佈式架設雷電探測站網,探測雷電電磁波並進行綜合解析,獲得當前雷電發生的位置、強度等信息,並進一步獲知雷電活動的主體區域和發生頻次。

此外,雷暴雲系統的覆蓋範圍較為廣闊,肉眼觀測經常只能看到烏雲當空,但不能確定整個對流天氣系統相對於實驗站的具體空間位置狀態,因此,我們還會結合天氣雷達回波,判斷雷暴雲是否處於實驗站上方。總體上,我們是將天氣雷達的回波信息,與大氣電場儀、雷電定位系統的實時探測結果綜合起來,以確定合適的引雷時機。通過這些探測,當我們判斷出自然雷電尚未發生但即將發生時,就可以進行引雷了。

在天空中轉瞬即逝的閃電。圖/IC photo
在天空中轉瞬即逝的閃電。圖/IC photo

■談引雷故事:

雷聲曾經在耳邊炸開,我們仍然前行

新京報:人工引雷實驗基地為何選址在濱州市?對場地有何要求?

蔣如斌:基地的選擇首先是考慮天氣情況,儘管北方的強對流天氣較南方偏少,但夏季7月到8月,這裏大尺度的強對流天氣過程較多,在5、6月,降雹等極強的對流天氣事件也時有發生,天氣系統有一定的代表性。

另外,人工引雷需要在相對安全的條件下開展,對場地有一定的要求。例如要儘量遠離高壓線,與城鎮、村莊等人員密集區域要有達到一公里或更遠的距離。而10多名實驗人員的日常生活辦公,也要求實驗基地具有基本的市電、自來水等生活保障。當前實驗場地的選擇和確定,得到了山東省氣象局、濱州市氣象局以及當地市、縣、鎮各級政府部門的大力支持和幫助。

我們早在2005年就開始在山東省濱州市開展人工引雷實驗,當時,這裏建成了全國第二部、地市級首部新一代多普勒天氣雷達,能夠較好地監測強對流天氣的發展,可以為強對流和雷電探測研究提供良好的雷達數據,這也是促成實驗基地選擇濱州市的一個重要原因。

新京報:開展引雷實驗以來,團隊發生過哪些“驚心動魄”的故事?

蔣如斌:人工引雷作業依賴的一個重要條件是雷暴天氣過境,而複雜的大氣運動,使得天氣過程本身時刻處於變化之中,存在著不確定性。對於我們來說,不管白天黑夜,只要強對流系統靠近了,具備了觀測和作業的條件,就必須迅速就位,正所謂:雷聲就是命令。

十多年以前,我們的場地設在相對開闊的棉花地間,由於田間地壟無法行車,天氣系統到來之前,我們要背著攝像機、對講機和部分重要的實驗觀測設備,步行前往1公裡外的實驗場地。

有一次,對流降水系統範圍較大,但對流強度比較弱,因此並不產生雷電,絲毫沒有雷暴跡象,這種層狀雲降水天氣不具備引雷作業條件,我們當時並不特別關注,所以沒有到場地裡提前做準備。相對均勻的降雨持續了大半天,然而到了傍晚,降雨的強度突然增大,強烈的陣風也刮了起來,同時還響起了轟隆的雷聲,這表明原本弱的對流系統已經增強為雷暴了,時間緊迫,我們要盡最大的可能抓住機會開展引雷作業和觀測實驗,於是披著雨披,裹著設備就往外衝。

被雨水浸潤過的泥濘道路異常難走,走到一半路時,雷暴越來越強,雷聲幾乎就在我們耳邊炸開,閃電劈到了我們周圍很近的地方,當時場地空曠,我們弓著腰前行,已經沒有回頭路,因為返回和前行的距離幾乎是一樣的,儘管事後心有餘悸,但當時確實只能鉚足了勁往前衝。近幾年,由於交通條件的改善,我們可以駕車載著設備到達場地。

還有一件事我也記憶深刻。徒駭河是連著海的,個別極端的情況下,短時降水強度太大,加上河道上遊泄洪,如果再恰逢海水漲潮倒灌,就會導致河面水位猛漲抬升,水有可能漫到實驗場地中去。有一次,受到颱風外圍雨帶持續強降水的影響,我們眼看著水位一點點地漲起來,極有可能會淹過火箭點火盒以及光纖信號傳輸系統等一些關鍵、重要的儀器設備,儘管外邊的雨還在下個不停,我們也不得不涉水將它們取回來。由於不知水位深淺,四個人需要兩兩之間用繩子綁著,一旦有人摔跤、滑倒,另一個人可以馬上幫扶。狂風驟雨間,眼鏡被打掉了也顧不得拾回,回到室內後,就進入了眯著眼睛看啥都模糊的狀態。

■談未來發展:

將研究小型化可移動實驗設施,“追”著雷暴作業

新京報:把雷引下來後,可以獲取哪些數據,如何開展研究?

蔣如斌:自然發生的雷電,具有很強的隨機性,不便於提前安裝儀器設備對雷電流進行測量。在人工引發雷電實驗中,我們通過架設專用線圈和同軸分流器得到雷電流的直接探測數據,這是最基本、最重要的數據。

人工引發雷電的雷擊位置是已知的,可以進行自然雷電中難以實現的雷電放電電流測量、近距離乃至極近距離電磁場測量、閃電產生高能輻射測量等。利用高速攝像機,我們可以拍攝捕捉雷電通道的形成過程,從而瞭解雷電是如何發展和傳輸的。

同時,我們還能借實驗對雷電定位系統進行標定,評估其定位效率和準確性,並可對雷電防護設備進行測試和驗證,舉例來說,高聳的通訊信號塔經常遭受雷擊,其本身是否能夠耐受住雷電的強大放電電流和劇烈電磁輻射的影響和破壞,通訊信號塔的防護措施到底是否有效?何種防護方法和設備的防護效果好?這些都可以利用人工引雷的辦法來測試。

新京報:去年人工引雷的視頻在網上很火,你預料到了嗎?你如何看待公眾的關注?

蔣如斌:去年那次,我們是在淩晨四點左右開始引雷實驗,上午實驗結束後,快到中午時將相關數據、材料整理完畢,我們回看了拍攝到的引雷視頻,由於使用了慢動作拍攝,很好的捕捉到了引雷火箭從點火、到發射升空、再到引發雷電的全過程,突然閃現於畫面的雷電光柱還是比較震撼的,相比以前的拍攝,更好地體現了引雷過程的壯觀,所以我們將視頻發佈在網絡上,沒想到在很短的時間內就引起了大量網友的關注和點讚,並迅速傳播開來。

大家對於野外科學實驗探索的關注熱情,是我們始料未及的。當然,這種關注也給了我們一個契機,讓大家更好地瞭解我們的雷電科學研究。

實際上,在老一輩科研人員的帶領下,經過幾代人的不懈努力,我國的大氣電學研究經曆了從無到有、從點到面、從簡單到複雜的蛻變,研究的能力和水平不斷提升,如今,我國大氣電學的部分研究已經走在了世界前列,一些研究成果在國際上產生了較為廣泛、深遠的學術影響。

通過引雷視頻的傳播,我們所做的工作能被大家所瞭解,我覺得很有意義,也感到了一種自豪感和使命感。獲得大家的關注以後,我們可能要接受更多的採訪,進行更細緻的介紹。就我個人而言,我更希望將主要的時間和精力花在做實驗和分析數據上。但另一方面,科學普及工作也是科研人員非常重要的社會責任,所以我也會儘量克服困難來參與科普、做好科普。

新京報:人工引雷的發展曆程是怎樣的,未來人工引雷團隊還將開展哪些工作?

蔣如斌:人工引雷實驗最早可追溯到20世紀60年代。1967年,科學家紐曼利用火箭拖帶導線在美國成功實施了人工引雷。之後,法國、中國、日本、巴西等國家也相繼引雷成功。中國的人工引雷實驗始於20世紀70年代。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。

目前,人工引雷實驗是基於地面固定裝置開展,尚屬於“守株待兔”式作業,需要等待雷暴雲過境。雖然綜合利用多種探測手段,我們已經能夠較好把握引雷時機,但是,過境雷暴雲的多少以及雷暴雲的起電狀態,直接決定了可開展引雷作業的次數,這限制了人工引雷的進一步開發利用,未來有必要研發具有機動性的引雷設施,並將引雷設施小型化,從而實現可移動作業。

此外,對於雷暴雲內起電過程的客觀、詳細物理機制,不同雷暴雲在不同發展階段的雲內電荷結構特徵,以及雷電在雲內的初始激發條件和背景環境等,目前的認識還不夠清楚,這些前沿基礎科學問題,也亟待通過進一步的觀測研究予以解決。

新京報記者 張璐

編輯 陳靜 校對 吳興發

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