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人工引雷成功实现不容易

来源:咸宁网 时间:2019-08-20 08:56

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近日,一个小视频在网上流传:在轰隆隆的雷声中,一道道雷电被直直地引向地面,放射出耀眼的光芒。这一场面令人惊奇,并引发网友热议。其实,这是中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室和中国气象局广州热带海洋气象研究所在中国气象局雷电野外科学试验基地联合开展的人工引雷试验。

尽管人们很熟悉电闪雷鸣,越来越多的公共场所也都有避雷设施,但是对于人工引雷未必了解。而看似酷炫的人工引雷背后却有诸多玄机。


  1. 人工引雷尚是一种科学试验


自然闪电常常是指雷暴云内、云间或者云与地之间自然发生的强烈放电现象。雷暴云与地面之间的放电称为云地闪或地闪,颇为鲜明的特征是击中地面或地上的物体;未击中地面或地上的物体的闪电则统称为云闪。由于持续的时间很短,绝大多数自然闪电不超过1秒钟,且发生时间和位置具有较强随机性和不确定性。

“人工引发的云地间的放电过程即是人工触发闪电,一般通过人工引雷试验实现。”中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室副主任、雷电团队首席研究员吕伟涛解释,准确地说,目前科学家和媒体提及的人工引雷是一种科学试验。

由于自然闪电具有高电压、大电流、强电磁辐射、长空间尺度等特征,科学家要在实验室进行准确模拟尚十分困难;与此同时,自然闪电发生的随机性强,近距离开展雷电综合观测也颇为困难,特别是自然闪电电流更是难以直接获取。

“当前,人工触发闪电是能够较为真实地模拟自然闪电的唯一手段,需要开展人工引雷试验来实现。”吕伟涛认为,当引雷试验场上方有雷暴云经过的时候,在合适条件下,通过向上发射尾部拖曳金属导线的引雷火箭,快速上升的火箭会促使放电通道起始并向上发展入云,最终形成云和地之间强烈的放电现象。

据介绍,人工触发闪电的特点是闪电发生位置确定、发生时间可预知、便于近距离测量,所产生的强电磁环境与自然地闪后续回击没有差异,并且可以实现闪电通道底部电流的直接测量,可获取其电流、近距离电磁场等关键数据。

因此,人工引雷是研究雷电放电过程、雷击效应及测试雷电探测设备、雷电防护技术和器件的重要手段;可以基于此开展很多科学试验,包括雷击过程及其机理的研究、新型雷电探测技术的研发与测试以及雷电防护技术的测试等。


2.人工引雷必须满足苛刻的条件


从旁观者的角度看,人工引雷看着简单,只要“放一支箭”就可以。

然而,在科学家眼里,人工引雷是复杂而困难的,需要特殊的场地,需要技术精湛的科研团队且能严格地按照防护规程操作,需要找准时机。

人工引雷试验场地自然要在雷电多发地带。“我们的试验场地在广州从化,位于华南区域,属于雷暴多发地区。这种‘先天优势’能够为开展人工引雷试验提供非常好的自然条件。”吕伟涛解释。

从事人工引雷的科学家也不简单,须有多年的积累和丰富的经验。吕伟涛及其所在的科研团队已从事这项工作达十余年,每年他们都有近三分之一的时间在野外开展雷电观测试验。

雷电外场试验是与电压非常高、电流非常大、电磁辐射非常强的观测对象打交道,试验人员的安全始终要被放在首位。因此,人工引雷必须采取严格的安全措施。在发射火箭引雷时,所有试验人员必须待在一个牢固可靠、有良好的屏蔽和接地的金属方舱内,即“法拉第笼”。这个金属方舱,即使被雷击中,里面的试验人员也是安全的。在整个试验过程中,所有试验人员都必须严格遵守规章制度和操作规范。同时,试验人员要准确获取观测数据,每个环节都来不得半点儿马虎。

人工引雷火箭拖着一条细细的钢丝,钢丝需要有足够的抗拉强度,要细、要轻,以减轻火箭的负荷。火箭发射后上升的速度也是决定能否成功引雷的关键。火箭的发射速度太快,容易将钢丝拉断而导致引雷失败;火箭太慢,不利于火箭冲破其尖端电晕放电产生的屏蔽层,同样难以引发雷电。

人们也曾提出过其它几种方案,例如高压水柱引雷法、激光束引雷法、气球引雷法等。但是,目前尚没有使用这些方法引雷成功的记录或报道。


3.并非每次人工引雷都能成功


“成功引雷的关键是准确估测空中电场强度。”吕伟涛说,可发生放电的电场强度一般为每米百千伏量级。现有观测手段不能直接探测云中电荷和空中电场分布情况,试验人员只能通过测量地面大气电场推测空中电场强度及其变化趋势。

然而,地面电场受设备架设条件、周围雷暴环境、地形、降水等多种因素影响,试验人员据此无法准确估测空中电场强度。引雷试验会综合考虑气象探测资料(如雷达回波)和地面电场变化,结合理论知识以及经验进行推测,其中存在较大不确定性。

此外,人工触发闪电的成功率与试验期间雷暴条件、触发方式、火箭质量、导线拖放情况也有关系。整体而言,引雷能否成功是多个因素综合的结果。比如,火箭发射是否正常、发射时机是否得当、发射过程中有无自然闪电等。把握好人工引雷时机,需要准确的观测、扎实的理论基础和丰富的实践经验相结合。

“并非每次人工引雷都能成功。”吕伟涛表示,世界上有多个国家曾开展或仍在开展人工引雷试验。国内外人工引雷试验成功率大多在30%-40%,随着探测手段的丰富完善和科学家经验的不断积累,人工引雷的成功率会有所提升。中国气象局雷电野外科学试验基地近几年引雷的成功率达到了60%以上。

截至目前,这个雷电基地已连续14年开展人工引雷试验,成功引发189次闪电,极大地丰富了雷电物理、防护、探测等理论、技术研究所需的第一手观测资料。


4.人工引下来的雷电能量还难以储存应用


不少人都很好奇,能不能把雷电释放的能量收集起来呢?雷电出没动静很大,给人的感觉是能量超强。一次典型的地闪释放的能量大约为109至1010焦耳,5个100瓦的灯泡亮1个月消耗的能量大约为1.3×109焦耳(360度电),所以一次雷电释放的能量并没有想象中那样大。但由于雷电放电具有很强的瞬时性,其能量往往在非常短的时间内被释放。因此,雷电瞬时功率非常强,目前还没有合适的能量储存器能经得起雷击的考验。另外,雷电出现时间和地点存在很大随机性,在一个固定地点发生的雷击很有限,即使对于几百米的高层建筑,每年被雷击中的概率也就几十次,因此收集雷电的能量并没那么容易。

尽管人工引下的雷电的能量不易储存和应用,但是通过人工引雷可以为我国雷电监测、预警预报和防护技术研究与开发提供必要的基础平台,为防御雷电灾害业务的发展提供更加科学的技术支撑,以提高我国雷电灾害防御能力。

传统的避雷系统是由避雷针、避雷带、引下线、接地体等构成的,但随着新型避雷装置的研究,需要进行更加实际的雷击试验。有科学家指出,人工引雷提供了最接近真实的自然雷电模拟源,不但可以用于雷电物理研究,还能对雷电防护装置的性能进行综合试验和评估,有力推动雷电防护技术的创新研发和应用。 (本报综合)


编辑:hushaopeng

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