每年夏天,山东省滨州市沾化区久山村都会迎来一拨年轻人。在徒骇河岸边,他们通过发射火箭进行人工引雷,让雷电在指定的时间和地点发生,以便更好地研究雷电并测试防雷技术。他们就是中国科学院大气物理研究所人工引雷团队。

去年夏天,他们的引雷实验短视频因画面炫酷,在网上“爆火”,引雷团队也随之走入公众视野。当下正值雷雨频发的季节,他们又再次驻扎在久山村,时刻等待着雷电的到来。

人工引雷实验如何进行?有何应用?对此,新京报记者对中国科学院大气物理研究所研究员蒋如斌进行采访。

■谈引雷实验:

让雷电在可知可控的条件下发生,以便更好研究

新京报:为什么要开展引雷实验?

蒋如斌:雷电不仅会造成雷击事故,还会引起输配电线路损毁,导致城乡大规模停电;它也会引燃化工原料,使化工厂、油库剧烈爆炸;还会造成广播、通讯中断,甚至严重威胁到航空航天等人类活动的安全。

在自然界,雷电产生于强对流天气系统中,具有极强的瞬时性和随机性,人们目前仍无法准确地提前预知雷电发生的行踪和轨迹,这给定量探索雷电的物理性质和特征带来了极大的困难。

如果有办法让雷电在指定的时间和地点发生,就可以对它进行更好的研究。人工引雷,就是一项让雷电在可知可控的条件下发生的技术。

新京报:人工引雷实验是如果进行的?

蒋如斌:人工引雷技术,是指向已经起电、携带了电荷的雷暴云发射拖带金属导线的专用引雷火箭,从而人为诱发雷电的技术,通常被称为“火箭-拖线人工引雷技术”。

我们通常在火箭发射场的观测控制室中,控制发射火箭。当天空中形成了携带电荷的雷暴云,我们就将2.4公斤的引雷小火箭点火发射,火箭的上升速度在每秒190米左右。火箭尾翼上固定着线轴,线轴上盘绕着几百米长的细钢丝,钢丝的一端固定在地面上。随着火箭的上升,钢丝被快速地拉伸开,形成一条笔直的接地金属通道。

引雷火箭实际上只能飞到离地几百米的高度,而强对流云的电荷区一般在几公里的高度以上。由于钢丝通道处于雷暴云形成的强电场环境中,在尖端的位置处,强烈的电场畸变效应(尖端效应)导致尖端放电过程,形成迅速向上传输的放电通道,最终架起了云和大地之间的放电“桥梁”,于是云和大地之间发生剧烈的放电过程,从而成功地引发了雷电。雷电流经由火箭拖曳的导线传至与之相连的接闪杆——即避雷针上,再经由引下线向大地泄散。

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人工引雷画面。受访者供图

新京报:科研人员如何精准判断雷电将至,从而进行准备?

蒋如斌:我们结合天气预报结果,并查看天气雷达、大气电场仪、雷电定位系统等的实时监测结果,就能比较清楚地了解强对流天气系统当前所处的位置,以及接下来可能移动的方向。

通俗地讲,雷暴天气系统中,对流抬升空气,水汽在几公里至十几公里高空的低温环境中,形成液态或固态的云滴、雨滴、冰晶、雪花、霰、冰雹等,这些水成物粒子由于发生相互碰撞和分离而携带上一定量的电荷,不同类型的粒子在气流和重力的作用下分层聚集,最终产生雷暴强电场,致使雷电得以发生。

雷达向空间发射电磁波,电磁波遇到障碍物,比如雨滴、冰晶、冰雹,就会发生反射、折射等,形成回波。在地图上,当发现雷达探测区域内出现黄色或者红色的强回波,就表明该处生成了强对流天气系统。基于实时探测的雷达回波图,我们可以确定强对流天气的生消状态和移动方向、速度,再结合大气电场强度、雷电活动的探测结果,就能够较好地掌握雷暴系统的发展动向,预判雷雨对实验站的影响,提前一到两小时进行引雷作业准备。

新京报:如何掌握发射火箭的精准时机?

蒋如斌:一定程度上,人工引雷可以理解为把即将发生的自然雷电,提前诱发到指定位置。雷暴云中,需要电场足够强才能激发雷电,换言之,云内电场逐渐增强的过程就相当于雷电孕育的过程。

当然,云内的电场很难进行直接探测和实时获取,我们将测量大气电场强度的设备安装在地面,从而获得地面大气电场的演变状态,其能在一定程度上表征云中的电荷聚集程度及电场强度,当大气电场仪测得的电场显著增强,说明云中的电荷量大、电场强,已形成了雷电发生的良好条件。

同时我们也使用雷电定位系统,通过在一定区域范围内分布式架设雷电探测站网,探测雷电电磁波并进行综合解析,获得当前雷电发生的位置、强度等信息,并进一步获知雷电活动的主体区域和发生频次。

此外,雷暴云系统的覆盖范围较为广阔,肉眼观测经常只能看到乌云当空,但不能确定整个对流天气系统相对于实验站的具体空间位置状态,因此,我们还会结合天气雷达回波,判断雷暴云是否处于实验站上方。总体上,我们是将天气雷达的回波信息,与大气电场仪、雷电定位系统的实时探测结果综合起来,以确定合适的引雷时机。通过这些探测,当我们判断出自然雷电尚未发生但即将发生时,就可以进行引雷了。

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在天空中转瞬即逝的闪电。图/IC photo

■谈引雷故事:

雷声曾经在耳边炸开,我们仍然前行

新京报:人工引雷实验基地为何选址在滨州市?对场地有何要求?

蒋如斌:基地的选择首先是考虑天气情况,尽管北方的强对流天气较南方偏少,但夏季7月到8月,这里大尺度的强对流天气过程较多,在5、6月,降雹等极强的对流天气事件也时有发生,天气系统有一定的代表性。

另外,人工引雷需要在相对安全的条件下开展,对场地有一定的要求。例如要尽量远离高压线,与城镇、村庄等人员密集区域要有达到一公里或更远的距离。而10多名实验人员的日常生活办公,也要求实验基地具有基本的市电、自来水等生活保障。当前实验场地的选择和确定,得到了山东省气象局、滨州市气象局以及当地市、县、镇各级政府部门的大力支持和帮助。

我们早在2005年就开始在山东省滨州市开展人工引雷实验,当时,这里建成了全国第二部、地市级首部新一代多普勒天气雷达,能够较好地监测强对流天气的发展,可以为强对流和雷电探测研究提供良好的雷达数据,这也是促成实验基地选择滨州市的一个重要原因。

新京报:开展引雷实验以来,团队发生过哪些“惊心动魄”的故事?

蒋如斌:人工引雷作业依赖的一个重要条件是雷暴天气过境,而复杂的大气运动,使得天气过程本身时刻处于变化之中,存在着不确定性。对于我们来说,不管白天黑夜,只要强对流系统靠近了,具备了观测和作业的条件,就必须迅速就位,正所谓:雷声就是命令。

十多年以前,我们的场地设在相对开阔的棉花地间,由于田间地垄无法行车,天气系统到来之前,我们要背着摄像机、对讲机和部分重要的实验观测设备,步行前往1公里外的实验场地。

有一次,对流降水系统范围较大,但对流强度比较弱,因此并不产生雷电,丝毫没有雷暴迹象,这种层状云降水天气不具备引雷作业条件,我们当时并不特别关注,所以没有到场地里提前做准备。相对均匀的降雨持续了大半天,然而到了傍晚,降雨的强度突然增大,强烈的阵风也刮了起来,同时还响起了轰隆的雷声,这表明原本弱的对流系统已经增强为雷暴了,时间紧迫,我们要尽最大的可能抓住机会开展引雷作业和观测实验,于是披着雨披,裹着设备就往外冲。

被雨水浸润过的泥泞道路异常难走,走到一半路时,雷暴越来越强,雷声几乎就在我们耳边炸开,闪电劈到了我们周围很近的地方,当时场地空旷,我们弓着腰前行,已经没有回头路,因为返回和前行的距离几乎是一样的,尽管事后心有余悸,但当时确实只能铆足了劲往前冲。近几年,由于交通条件的改善,我们可以驾车载着设备到达场地。

还有一件事我也记忆深刻。徒骇河是连着海的,个别极端的情况下,短时降水强度太大,加上河道上游泄洪,如果再恰逢海水涨潮倒灌,就会导致河面水位猛涨抬升,水有可能漫到实验场地中去。有一次,受到台风外围雨带持续强降水的影响,我们眼看着水位一点点地涨起来,极有可能会淹过火箭点火盒以及光纤信号传输系统等一些关键、重要的仪器设备,尽管外边的雨还在下个不停,我们也不得不涉水将它们取回来。由于不知水位深浅,四个人需要两两之间用绳子绑着,一旦有人摔跤、滑倒,另一个人可以马上帮扶。狂风骤雨间,眼镜被打掉了也顾不得拾回,回到室内后,就进入了眯着眼睛看啥都模糊的状态。

■谈未来发展:

将研究小型化可移动实验设施,“追”着雷暴作业

新京报:把雷引下来后,可以获取哪些数据,如何开展研究?

蒋如斌:自然发生的雷电,具有很强的随机性,不便于提前安装仪器设备对雷电流进行测量。在人工引发雷电实验中,我们通过架设专用线圈和同轴分流器得到雷电流的直接探测数据,这是最基本、最重要的数据。

人工引发雷电的雷击位置是已知的,可以进行自然雷电中难以实现的雷电放电电流测量、近距离乃至极近距离电磁场测量、闪电产生高能辐射测量等。利用高速摄像机,我们可以拍摄捕捉雷电通道的形成过程,从而了解雷电是如何发展和传输的。

同时,我们还能借实验对雷电定位系统进行标定,评估其定位效率和准确性,并可对雷电防护设备进行测试和验证,举例来说,高耸的通讯信号塔经常遭受雷击,其本身是否能够耐受住雷电的强大放电电流和剧烈电磁辐射的影响和破坏,通讯信号塔的防护措施到底是否有效?何种防护方法和设备的防护效果好?这些都可以利用人工引雷的办法来测试。

新京报:去年人工引雷的视频在网上很火,你预料到了吗?你如何看待公众的关注?

蒋如斌:去年那次,我们是在凌晨四点左右开始引雷实验,上午实验结束后,快到中午时将相关数据、材料整理完毕,我们回看了拍摄到的引雷视频,由于使用了慢动作拍摄,很好的捕捉到了引雷火箭从点火、到发射升空、再到引发雷电的全过程,突然闪现于画面的雷电光柱还是比较震撼的,相比以前的拍摄,更好地体现了引雷过程的壮观,所以我们将视频发布在网络上,没想到在很短的时间内就引起了大量网友的关注和点赞,并迅速传播开来。

大家对于野外科学实验探索的关注热情,是我们始料未及的。当然,这种关注也给了我们一个契机,让大家更好地了解我们的雷电科学研究。

实际上,在老一辈科研人员的带领下,经过几代人的不懈努力,我国的大气电学研究经历了从无到有、从点到面、从简单到复杂的蜕变,研究的能力和水平不断提升,如今,我国大气电学的部分研究已经走在了世界前列,一些研究成果在国际上产生了较为广泛、深远的学术影响。

通过引雷视频的传播,我们所做的工作能被大家所了解,我觉得很有意义,也感到了一种自豪感和使命感。获得大家的关注以后,我们可能要接受更多的采访,进行更细致的介绍。就我个人而言,我更希望将主要的时间和精力花在做实验和分析数据上。但另一方面,科学普及工作也是科研人员非常重要的社会责任,所以我也会尽量克服困难来参与科普、做好科普。

新京报:人工引雷的发展历程是怎样的,未来人工引雷团队还将开展哪些工作?

蒋如斌:人工引雷实验最早可追溯到20世纪60年代。1967年,科学家纽曼利用火箭拖带导线在美国成功实施了人工引雷。之后,法国、中国、日本、巴西等国家也相继引雷成功。中国的人工引雷实验始于20世纪70年代。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。

目前,人工引雷实验是基于地面固定装置开展,尚属于“守株待兔”式作业,需要等待雷暴云过境。虽然综合利用多种探测手段,我们已经能够较好把握引雷时机,但是,过境雷暴云的多少以及雷暴云的起电状态,直接决定了可开展引雷作业的次数,这限制了人工引雷的进一步开发利用,未来有必要研发具有机动性的引雷设施,并将引雷设施小型化,从而实现可移动作业。

此外,对于雷暴云内起电过程的客观、详细物理机制,不同雷暴云在不同发展阶段的云内电荷结构特征,以及雷电在云内的初始激发条件和背景环境等,目前的认识还不够清楚,这些前沿基础科学问题,也亟待通过进一步的观测研究予以解决。

新京报记者 张璐

编辑 陈静 校对 吴兴发