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人工引雷 现实中的科幻大片

发布时间:2021年08月25日 来源:中国官方平台报

有个典故,200多年前,著名发明家本杰明·富兰克林曾用一只系有钥匙的简陋小风筝,成功地把“天电”从空中引下来。

随着科技的发展,简陋的风筝变成了科技感十足的引雷火箭,引雷现场仿佛科幻大片。如何科学安全地将雷电从高空引下来?引下来的雷又作何用?本期科普带您了解人工引雷试验。

专家顾问

中国官方平台科学研究院灾害天气国家重点实验室副主任、雷电研究团队首席专家 吕伟涛

中国官方平台科学研究院研究员、雷电研究团队专家张阳 郑栋

中国官方平台局广州热带海洋官方平台研究所正研级高工 陈绍东

山东省官方平台局高级工程师 刘向科

中国科学院大气物理研究所副研究员 蒋如斌


问\原理

金色光柱的奥义


随着经济社会的发展,电子、通信设备的广泛应用,雷击及其强电磁辐射所造成的危害愈来愈严重,但人们对雷电发生机制、物理过程以及防护机理的认识仍存在不足,这就需要进一步强化对雷电及雷击过程的研究。而人工引雷成为研究闪电放电规律、致灾机理、雷电防御的重要手段。

自然闪电具有高电压、大电流、强电磁辐射等特征,很难进行模拟。由于其发生的随机性,也很难开展近距离综合观测,特别是自然闪电电流更是难以直接获取。

而人工引雷发生时间可以预知、发生地点可控,可以获取放电的电流、电磁场等关键特征参量,且放电过程与自然地闪继后回击没有差异,因此可以基于此开展科学试验,研究自然闪电的雷击过程及其机理,评估新型雷电探测技术和雷电防护技术等。

目前,国内外人工引雷一般采用火箭拖曳导线的方式进行。

人工引雷的金色光柱让人震撼,似乎蕴含强大的能量,能否将其中的能量加以利用?

专家表示,其实,一次雷电所释放的能量并没有想象中大。一次典型的引雷试验中,地闪释放的能量大约在100焦耳左右,也就够5个100瓦灯泡亮1个月左右。而且,雷电放电时具有很强的瞬时性,能量往往在非常短的时间内被释放,目前还没有合适的能量储存器能够经得起如此强烈的雷击考验。此外,雷电出现的时间地点具有很大的随机性,在固定地点反复发生雷击的可能性很小,因此,收集雷电中的能量其实并没有那么容易。

人工引雷能否改变雷暴中的放电频率呢?

答案也是否定的。通常一次典型的雷暴过程会有几百、上千次云地闪电发生,云闪数量会更多,而现阶段大多数情况下一次雷暴过程中,可实施的人工引雷次数在几次到十几次之间,所中和的电荷量相对于雷暴中电荷产生的能量,可以忽略不计。从这个角度来说,现阶段靠引雷改变自然雷暴中闪电放电几乎不可能。

尽管一次人工引雷试验能够捕获到的能量不多,且由于雷电瞬时性强、不确定性大,但人工引雷应用前景依旧广阔。

目前,不少行业对雷电防护的需求巨大,例如电力、通信、能源、交通、石化、林草等部门。这都需要继续开展人工引雷试验,并进行更多更精细化的测试工作,使雷电防护工作更加精细和有的放矢。

看\现场

从云中到地面

成功进行人工引雷试验,需要天时、地利、人和等因素共同配合。

首先需要一个大型引雷试验场地,并配备相应设施。例如,中国官方平台局雷电野外科学试验基地安装了我国自主研发的三维全闪定位系统,研发搭建了雷电临近预警和短时预报一体化平台。

其次,绝大部分雷电孕育于对流旺盛的雷暴云中,也就是“天时”。雷电发生前,雷暴云中会积聚大量电荷并形成不同极性的电荷区,使得雷暴云与地面之间形成空中电磁场,这也是建立放电“通道”的先决条件。

一切就绪,主角出场——引雷火箭,一个重约2公斤、长约50厘米的小型火箭,尾部拖曳着一根长长的钢丝。

引雷火箭发射装置触发后,火箭以每秒190米左右的速度飞向“头顶”雷暴云区。上升到大约200米至400米高度时,火箭头部在空中强电场的作用下,产生上行先导并快速抵达雷暴云。先导产生后,不需要再借助火箭的推力,便可以超高速直冲云霄,将雷电引下来。

在与雷暴云接触后,云中大量电荷立即通过先导已建立的通道抵达地面。短短一瞬间,雷电顺着预设的引雷路径形成直直的强光闪电返回地面,这就是刷屏网络的“金箍棒”。

过程看似简单,但实际操作中有很大难度。如何判断引雷的最佳时机?

最好的时机是自然闪电将发未发时。这不仅要依靠雷达、闪电定位仪等设备,更需要丰富的经验来判断云地之间电荷情况。当电荷充足且电场达到阈值时,成功率很高。如果火箭发射过早,云中电量不足;过晚,雷电能量可能已经释放,都难以成功。引雷火箭的设计速度也并非越快越好,过快会拉断细金属丝,过慢又不利于火箭头部电离空气产生上行先导。

从实际作业来看,在降水较小且伴随有不太频繁的自然闪电发生的情况下,成功率更高。

不过,引雷的最终目的是了解雷电的结构、发生机理,并开展雷电防护技术研究。因此,试验人员有时候会“牺牲”成功率进行探索和尝试,以获取更丰富的资料。

由于雷电具有高电压、大电流、强电磁辐射等特征,与之“打交道”,存在一定的危险性。我国人工引雷试验严格遵循安全第一的原则,所引发雷电放电电流经过金属导线连接至地面接闪杆,最终向大地散去。试验操作人员在控制室内通过光纤传输数据信号和控制指令等进行操作,确保引雷区和控制区之间的“电隔离”。控制室采用金属结构,并做良好接地处理,室内由单独的发电机供电作业。


探\未来

“探秘之旅”

在轰隆隆的雷声中,一道道雷电被引向地面,底部平直,如同“金箍棒”,放射出耀眼的光芒。

近些年,通过媒体的报道,人们对人工引雷试验有了关注和了解。雷电野外科学试验是认识雷电发生、发展的物理过程及其致灾机理的重要途径,也是开展真实雷电电磁环境下雷电防护技术测试的重要方式。

那么,这项看似“酷炫”的技术是如何发展起来的?人工引雷试验又为科学研究提供了哪些发现?

上世纪六十年代,国外科学家Newman最早用火箭拖导线的方法在海上成功实现人工引雷;到了七十年代,法国科学家最早使用防雹火箭拖带导线的方法,在陆地上成功触发闪电。随后,美国和日本开始引进法国的引雷技术,开展陆地人工引雷试验。至此,人工引雷试验开始在世界各地广泛开展。

我国科学家紧密跟踪这项技术的发展,于1977年夏季用土火箭拖带导线首次成功进行人工引雷试验,并于1989年首次采用自主研发的人工引雷专用火箭,在甘肃地区引雷成功。此后,经过40多年的发展,科研人员先后在北京、甘肃、广东、山东等地成功引发雷电数百次。

当前,我国人工引雷试验水平处于国际先进行列,试验内容丰富,引雷成功率高。中国官方平台科学研究院与广东省官方平台局合作,建立了雷电野外科学试验基地,并从2006年开始开展雷电野外综合观测试验,成功引雷近200次,近5年平均成功率约70%。此外,山东人工引发雷电试验基地近年来也开展了多次人工引雷试验。对雷暴闪电活动规律和机理认识的提升以及人工引雷技术的进步,使得科研人员能够更准确地把握引雷时机,更快速实施引雷作业,提高了人工引雷试验的成功率。

人工引雷可以为我国雷电监测、预警预报和防护技术的研究提供必要的基础平台,为防御雷电灾害业务发展提供更加科学的技术支撑。

除了进行研究,引雷试验用途很多,对雷电防护设备的检验就是其中之一。比如,通信、电力、能源、航空等行业设备和部件,放到试验环境中进行检验和测试,可检验其防雷能力以及各种防雷器件的可靠性等。

雷电研究中仍有许多未解的奥秘,比如雷电在云中的源头、始发机制,雷电信息对灾害性天气监测预警的重要意义等。科学家们期待,将来有更多的技术、设备应用于引雷试验中,同时通过多年观测、试验、研究的积累,进一步揭开雷电的神秘面纱,进一步提高我国雷电防御能力。(来源:中国官方平台报2021-08-20 作者:李慧 简菊芳 王玫珏,杜赛、祝熙航对此文亦有帮助