作者:赵广立 来源:中国科学报 发布时间:2021/8/3 14:21:10
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天空出现“金箍棒”!人工引雷技术知多少
专访中科院人工引雷团队

 

还记得中科院“人工引雷”的高能视频吗?

一道闪电从天而降,宛若孙大圣的“金箍棒”一般笔直入地。这高能爆燃的一幕其实只是常见的雷电现象,但不同的是,这一次它是被中科院大气物理研究所(以下简称大气物理所)的科研人员人工引发而产生的。

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工作人员远程发射专用引雷火箭 大气物理所供图

人工引雷危险吗?成功率有多高?人工引雷的目的是什么?对于我们应对雷暴灾害有哪些帮助?带着这些问题,《中国科学报》近日专访了视频中开展人工引雷的团队成员——中科院大气物理所中层大气和全球环境探测重点实验室副主任、副研究员蒋如斌及研究员郄秀书。

初识人工引雷:人类控制利用雷电梦想成真

《中国科学报》:请简要介绍一下人工引雷这项技术。

蒋如斌:人工引雷是指向起电的雷暴云体发射拖带金属导线的专用引雷火箭以引发雷电的专门技术,被称为“火箭—拖线人工引雷技术”。通常在合适的雷暴电场条件下,当引雷火箭上升达到200米左右的高度时即可引雷成功。

《中国科学报》:人工引雷是近年来兴起的吗?中间经历了怎样的发展?

郄秀书:其实,人工引雷实验已不是新鲜事物了。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。

我们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我们研制的引雷火箭,成本比进口的引雷火箭低很多。

截至目前为止,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,在国际学术界占有重要地位,也在防雷技术测试方面发挥了重要作用。

可以说,人工引雷使得人类控制雷电、利用雷电的梦想成为了现实。我国的人工引雷科学实验发展到今天,背后凝聚着三四代人的不断努力和探索,成果来之不易。

《中国科学报》:人工引雷的操作危险吗?现场需要做哪些防护措施?

蒋如斌:雷电具有高电压、大电流、强电磁辐射的特征,与之打交道在客观上确实存在很大的危险性。不过,开展科学研究,安全始终是第一位的,我们的人工引雷实验对人员和仪器设备的安全都做了比较周全的考虑,采取了科学的防护措施,因此总体上是安全的。

《中国科学报》:都采取了哪些科学的防护措施?

蒋如斌:比如,通过一定的技术设计,使得所引发的雷电直接击到一个接闪引流杆,最终看似“高能”的雷电电流通过这个引流杆泄放到了大地,雷击被限定在固定的火箭发射架区域。

另外,在距离火箭发射架几十米左右的地方,建有一个具有很好接地、屏蔽功能的控制室,实验人员在控制室内进行操作,通过光纤下达发控指令,所有电流、电磁辐射等测量信号也传输到这个控制室进行记录,确保引发雷击区域之间的“电隔离”。室内还配备有独立的发电机进行供电,也保证了室内观测实验的安全。

《中国科学报》:什么天气条件下适宜开展人工引雷作业?如何把握引雷的最好时机?

蒋如斌:自然界中,绝大部分雷电发生于对流旺盛的雷暴云中,即具有一定起电和雷电活动的强对流云中,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。

再看人工引雷:科学认识雷电用途多多

《中国科学报》:人工引雷的主要用途是什么?

郄秀书:目前为止,人工引雷的最主要的目的还是为了更科学地认识雷电。人工引雷可以在一定的时间和空间可控状态下进行,为集中多种观测设备对雷电进行直接和近距离测量提供了条件,比如:雷电的放电电流直接测量和近距离电磁场的测量,从而有助于解雷电的物理过程和电荷传输特征、放电强度、电磁辐射特征,以及雷电与地面目标物的相互作用等。随着人工引雷技术趋于成熟,人工引雷实验不仅在科学研究发挥着重要作用,也在通讯、石化、电力等行业的雷电防护技术测试,以及雷电定位系统的效果评估等方面得到了应用。当然,我们雷电研究的目的,也希望有朝一日能更好的干预和影响雷电、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。

《中国科学报》:如何做“真实条件下的雷击防护测试”?

郄秀书:以往,雷击防护设备的有效性测试主要基于高压实验室模拟的长间隙放电开展,但实验室的模拟雷击很难同时构建自然雷电“高电压”“大电流”等特征,与实际雷击环境是有差别的。人工引雷除了不能再现自然雷电击中地面时的首次回击及其之前的过程以外,其他放电过程与自然雷电是几乎相同的,属于自然雷暴天气条件下的真实雷击。由于位置确定,便于对雷击致灾的关键参量进行测量、并对雷击防护设备的性能进行测试评估,获取重要的测试数据从而支撑相应雷电防护技术的提升与完善。已开展的测试对象包括通讯、电力、石油化工等行业当中雷击敏感设施(如通讯基站铁塔、输电线路、储油罐等)的防护系统等。

《中国科学报》:“雷电定位系统”是什么,它主要发挥哪些作用?

郄秀书:雷电定位系统主要是用于确定雷电发生的时间、位置、强度和类型等特征的一种雷电测量装置。通常是利用相距一定距离的多个测量站来同步测量雷电放电过程产生的不同频段的电磁波,再通过一定的定位原理和算法设计,来反演确定放电事件的发生时间、位置等信息,它是观测和定量研究雷电的重要基础,也是进行雷电监测预警的重要手段。

根据目的不同,可以建立不同类型的闪电定位系统。比如,对于科学研究来说,关心的是闪电发展传输的全过程,需要对一次闪电放电的全过程进行高精度高时间分辨率的三维成像定位,近10年来,类似的定位系统在国内外研究机构中发展非常迅速。而对于业务化的闪电监测而言,可能更关心地闪打到地上的时间、击地位置、峰值电流强度等,这些信息可帮助进行森林雷击火灾的判别,雷击输电线路故障点查找等。业务化的闪电定位系统在气象、电力、林业、航空等部门都有广泛的应用,甚至在航天发射中也都配备有雷电定位系统。

展望人工引雷:仍有待解之谜

《中国科学报》:人工引雷的雷电能量可以存储吗?

郄秀书:目前还没有存储雷电能量的设想,这主要是因为一次雷电的能量并不大。

雷电是一种瞬时放电过程,其瞬时功率非常强,峰值功率可以达到10亿千瓦,峰值电流可以达到几十万安培,但这种高功率的持续时间仅在微秒量级,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。因此闪电虽然有强大的瞬时功率,可以造成巨大的破坏力,但能量很小,存储下来的利用价值微不足道,或者说性价比不高。

《中国科学报》:人工引雷能够引起雨量增加或者减少冰雹灾害吗?

郄秀书:有研究认为人工引雷发生后,通道附近会出现降水倾泻的现象,成功进行人工引雷实验的雷暴也有冰雹减少的现象,但是目前观察的这种现象的资料太少,不具有统计意义。

人工引雷和人工降雨增加降水、减少冰雹的原理不同。人工降雨和人工消雹技术是通过飞机、火箭、大炮等向云中播撒碘化银等催化剂,改变云微物理过程,实现提前或延缓降水、增加或减少降水及消减冰雹的目的。人工引雷后降雨的增加可能是由于雷电导致带电的雨滴等所受电场力骤降,短时间内的降水强度突然增加,其影响的时间和空间范围有限。

《中国科学报》:人工引雷能否“引”出或者捕捉、控制球状闪电?

蒋如斌:至今,尚无任何证据表明人工引雷曾“引”出过球状闪电。球状闪电的发生比较罕见,因此对球状闪电的有效观测结果还很少,目前,学术界对球状闪电发生机理的认识还存在很大争议。

《中国科学报》:我们对雷电的认识还有哪些亟待探索的问题?

郄秀书:实际上关于闪电,人类还有很多问题没有解决。比如:闪电如何在云内始发?闪电通道如何发展传输?雷电电荷如何传输?闪电放电过程中的能量如何分配?闪电发生时的云内电场有多强?闪电是否可以产生高能X射线和伽马射线?

甚至还有一些闪电的基本问题,如:为什么有些闪电仅发生在云内,有些会打到地上?不同闪电的强度、发展特征等为何不同?看似有很大随机性的闪电到底有哪些共性规律和不同?哪些地方更易遭受雷击?等等。

 
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