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面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

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蔣如斌、郄秀書:我們為什么要“主動”引雷?

2021-08-12 中國科學報 趙廣立
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工作人員遠程發射專用引雷火箭。大氣物理所供圖

  每年的6~8月是我國雷電災害的高發期。8月10日媒體報道稱,近日大連一55歲男子在海邊扒貝類時疑遭雷電擊中不幸身亡,人們猜測其死因“大概是工具(扒貝類用的耙子等金屬工具)把雷引來了”。

  雷電災害不僅危及人員或動物生命安全,還容易引發火災,造成電力系統、通信系統、雷達天線及其他電子信息系統故障而產生直接或間接經濟損失。

  防雷減災的前提是更加了解雷電。因此,自20世紀70年代,我國科研人員就著手開展了“人工引雷”試驗。直到今天,人工引雷作業仍是人們研究和認識雷電的重要手段。從網上流傳的人工引雷視頻中可以看到,一道閃電從天而降,宛若孫大圣的“金箍棒”一般筆直入地。

  人工引雷是什么?人工引雷的目的是什么?對于我們應對雷暴災害有哪些幫助?近日《中國科學報》專訪了專門從事人工引雷作業的科研團隊——中科院大氣物理研究所(以下簡稱大氣物理所)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郄秀書。

  初識人工引雷:人類控制利用雷電夢想成真

  《中國科學報》:能否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云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?中間經歷了怎樣的發展?

  郄秀書:其實,人工引雷試驗已不是新鮮事物了。從20世紀60年代開始,美、法、中、日等國都先后成功開展了人工引發雷電試驗。中科院原蘭州高原大氣物理研究所曾于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試驗開始于2005年,并首次在國內測到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試驗。

  為進一步改進火箭性能,大氣物理所與中國航天總公司陜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,并在2009年的人工引雷試驗中首次使用并取得成功。目前國內的人工引雷試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,國內成功人工引雷總次數估計超過300次。

  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試驗發展到今天,背后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》:什么天氣條件下適宜開展人工引雷作業?如何把握最好時機?

  蔣如斌:自然界中,絕大部分雷電發生于對流旺盛的雷暴云中,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信息,判斷雷暴云的起電狀況,確定發射引雷火箭的時機,一般要求雷暴云的對流比較旺盛、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么?

  郄秀書:目前為止,人工引雷的最主要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。隨著人工引雷技術趨于成熟,人工引雷試驗不僅在科學研究中發揮著重要作用,也在通信、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,也希望有朝一日能更好地干預和影響雷電、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》:“雷電定位系統”是什么?它主要發揮哪些作用?

  郄秀書:雷電定位系統主要是用于確定雷電發生的時間、位置、強度和類型等特征的一種雷電測量裝置。通常是利用相隔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,反演確定放電事件的發生時間、位置等信息,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雷電定位系統。比如,科學研究關注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分辨率的三維成像定位,近10年來,類似的定位系統在國內外發展非常迅速。而對于業務化的閃電監測而言,可能更聚焦閃電打到地上的時間、位置,峰值電流強度等,這些信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、航空等領域都有廣泛應用,甚至航天發射中也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?

  郄秀書: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并不大。

  雷電是一種瞬時放電過程,其瞬時功率非常強,峰值功率可達10億千瓦,峰值電流可達幾十萬安培,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109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》:人工引雷能引起雨量增加或者減少冰雹災害嗎?

  郄秀書:有研究認為人工引雷發生后,通道附近會出現降水傾瀉的現象,成功進行人工引雷試驗的雷暴也有冰雹減少的現象,但是目前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、人工消雹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、大炮等向云中播撒碘化銀等催化劑,改變云微物理過程,實現提前或延緩降水、增加或減少降水及消減冰雹的目的。人工引雷后降雨的增加可能是由于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?

  郄秀書:實際上關于閃電,人類還有很多問題沒有解決。比如:閃電如何在云內始發?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?閃電發生時的云內電場有多強?閃電是否可以產生高能X射線和伽馬射線?

  甚至還有一些基本問題。比如:為什么有些閃電僅發生在云內,有些會打到地上?不同閃電的強度、發展特征等為何不同?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?這些問題都亟待探索。

打印 責任編輯:閻芳
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