每年夏天,山東省濱州市沾化區(qū)久山村都會(huì)迎來(lái)一撥年輕人。在徒駭河岸邊,他們通過(guò)發(fā)射火箭進(jìn)行人工引雷,讓雷電在指定的時(shí)間和地點(diǎn)發(fā)生,以便更好地研究雷電并測(cè)試防雷技術(shù)。他們就是中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所人工引雷團(tuán)隊(duì)。
去年夏天,他們的引雷實(shí)驗(yàn)短視頻因畫(huà)面炫酷,在網(wǎng)上爆火,引雷團(tuán)隊(duì)也隨之走入公眾視野。當(dāng)下正值雷雨頻發(fā)的季節(jié),他們又再次駐扎在久山村,時(shí)刻等待著雷電的到來(lái)。
人工引雷實(shí)驗(yàn)如何進(jìn)行?有何應(yīng)用?對(duì)此,新京報(bào)記者對(duì)中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所研究員蔣如斌進(jìn)行采訪。
■談引雷實(shí)驗(yàn):
讓雷電在可知可控的條件下發(fā)生,以便更好研究
新京報(bào):為什么要開(kāi)展引雷實(shí)驗(yàn)?
蔣如斌:雷電不僅會(huì)造成雷擊事故,還會(huì)引起輸配電線路損毀,導(dǎo)致城鄉(xiāng)大規(guī)模停電;它也會(huì)引燃化工原料,使化工廠、油庫(kù)劇烈爆炸;還會(huì)造成廣播、通訊中斷,甚至嚴(yán)重威脅到航空航天等人類(lèi)活動(dòng)的安全。
在自然界,雷電產(chǎn)生于強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)中,具有極強(qiáng)的瞬時(shí)性和隨機(jī)性,人們目前仍無(wú)法準(zhǔn)確地提前預(yù)知雷電發(fā)生的行蹤和軌跡,這給定量探索雷電的物理性質(zhì)和特征帶來(lái)了極大的困難。
如果有辦法讓雷電在指定的時(shí)間和地點(diǎn)發(fā)生,就可以對(duì)它進(jìn)行更好的研究。人工引雷,就是一項(xiàng)讓雷電在可知可控的條件下發(fā)生的技術(shù)。
新京報(bào):人工引雷實(shí)驗(yàn)是如果進(jìn)行的?
蔣如斌:人工引雷技術(shù),是指向已經(jīng)起電、攜帶了電荷的雷暴云發(fā)射拖帶金屬導(dǎo)線的專(zhuān)用引雷火箭,從而人為誘發(fā)雷電的技術(shù),通常被稱(chēng)為火箭-拖線人工引雷技術(shù)。
我們通常在火箭發(fā)射場(chǎng)的觀測(cè)控制室中,控制發(fā)射火箭。當(dāng)天空中形成了攜帶電荷的雷暴云,我們就將2.4公斤的引雷小火箭點(diǎn)火發(fā)射,火箭的上升速度在每秒190米左右?;鸺惨砩瞎潭ㄖ€軸,線軸上盤(pán)繞著幾百米長(zhǎng)的細(xì)鋼絲,鋼絲的一端固定在地面上。隨著火箭的上升,鋼絲被快速地拉伸開(kāi),形成一條筆直的接地金屬通道。
引雷火箭實(shí)際上只能飛到離地幾百米的高度,而強(qiáng)對(duì)流云的電荷區(qū)一般在幾公里的高度以上。由于鋼絲通道處于雷暴云形成的強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境中,在尖端的位置處,強(qiáng)烈的電場(chǎng)畸變效應(yīng)(尖端效應(yīng))導(dǎo)致尖端放電過(guò)程,形成迅速向上傳輸?shù)姆烹娡ǖ?,最終架起了云和大地之間的放電橋梁,于是云和大地之間發(fā)生劇烈的放電過(guò)程,從而成功地引發(fā)了雷電。雷電流經(jīng)由火箭拖曳的導(dǎo)線傳至與之相連的接閃桿——即避雷針上,再經(jīng)由引下線向大地泄散。
人工引雷畫(huà)面。受訪者供圖
新京報(bào):科研人員如何精準(zhǔn)判斷雷電將至,從而進(jìn)行準(zhǔn)備?
蔣如斌:我們結(jié)合天氣預(yù)報(bào)結(jié)果,并查看天氣雷達(dá)、大氣電場(chǎng)儀、雷電定位系統(tǒng)等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果,就能比較清楚地了解強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)當(dāng)前所處的位置,以及接下來(lái)可能移動(dòng)的方向。
通俗地講,雷暴天氣系統(tǒng)中,對(duì)流抬升空氣,水汽在幾公里至十幾公里高空的低溫環(huán)境中,形成液態(tài)或固態(tài)的云滴、雨滴、冰晶、雪花、霰、冰雹等,這些水成物粒子由于發(fā)生相互碰撞和分離而攜帶上一定量的電荷,不同類(lèi)型的粒子在氣流和重力的作用下分層聚集,最終產(chǎn)生雷暴強(qiáng)電場(chǎng),致使雷電得以發(fā)生。
雷達(dá)向空間發(fā)射電磁波,電磁波遇到障礙物,比如雨滴、冰晶、冰雹,就會(huì)發(fā)生反射、折射等,形成回波。在地圖上,當(dāng)發(fā)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)黃色或者紅色的強(qiáng)回波,就表明該處生成了強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)?;趯?shí)時(shí)探測(cè)的雷達(dá)回波圖,我們可以確定強(qiáng)對(duì)流天氣的生消狀態(tài)和移動(dòng)方向、速度,再結(jié)合大氣電場(chǎng)強(qiáng)度、雷電活動(dòng)的探測(cè)結(jié)果,就能夠較好地掌握雷暴系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)向,預(yù)判雷雨對(duì)實(shí)驗(yàn)站的影響,提前一到兩小時(shí)進(jìn)行引雷作業(yè)準(zhǔn)備。
新京報(bào):如何掌握發(fā)射火箭的精準(zhǔn)時(shí)機(jī)?
蔣如斌:一定程度上,人工引雷可以理解為把即將發(fā)生的自然雷電,提前誘發(fā)到指定位置。雷暴云中,需要電場(chǎng)足夠強(qiáng)才能激發(fā)雷電,換言之,云內(nèi)電場(chǎng)逐漸增強(qiáng)的過(guò)程就相當(dāng)于雷電孕育的過(guò)程。
當(dāng)然,云內(nèi)的電場(chǎng)很難進(jìn)行直接探測(cè)和實(shí)時(shí)獲取,我們將測(cè)量大氣電場(chǎng)強(qiáng)度的設(shè)備安裝在地面,從而獲得地面大氣電場(chǎng)的演變狀態(tài),其能在一定程度上表征云中的電荷聚集程度及電場(chǎng)強(qiáng)度,當(dāng)大氣電場(chǎng)儀測(cè)得的電場(chǎng)顯著增強(qiáng),說(shuō)明云中的電荷量大、電場(chǎng)強(qiáng),已形成了雷電發(fā)生的良好條件。
同時(shí)我們也使用雷電定位系統(tǒng),通過(guò)在一定區(qū)域范圍內(nèi)分布式架設(shè)雷電探測(cè)站網(wǎng),探測(cè)雷電電磁波并進(jìn)行綜合解析,獲得當(dāng)前雷電發(fā)生的位置、強(qiáng)度等信息,并進(jìn)一步獲知雷電活動(dòng)的主體區(qū)域和發(fā)生頻次。
此外,雷暴云系統(tǒng)的覆蓋范圍較為廣闊,肉眼觀測(cè)經(jīng)常只能看到烏云當(dāng)空,但不能確定整個(gè)對(duì)流天氣系統(tǒng)相對(duì)于實(shí)驗(yàn)站的具體空間位置狀態(tài),因此,我們還會(huì)結(jié)合天氣雷達(dá)回波,判斷雷暴云是否處于實(shí)驗(yàn)站上方??傮w上,我們是將天氣雷達(dá)的回波信息,與大氣電場(chǎng)儀、雷電定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)探測(cè)結(jié)果綜合起來(lái),以確定合適的引雷時(shí)機(jī)。通過(guò)這些探測(cè),當(dāng)我們判斷出自然雷電尚未發(fā)生但即將發(fā)生時(shí),就可以進(jìn)行引雷了。
在天空中轉(zhuǎn)瞬即逝的閃電。圖/IC photo
■談引雷故事:
雷聲曾經(jīng)在耳邊炸開(kāi),我們?nèi)匀磺靶?/span>
新京報(bào):人工引雷實(shí)驗(yàn)基地為何選址在濱州市?對(duì)場(chǎng)地有何要求?
蔣如斌:基地的選擇首先是考慮天氣情況,盡管北方的強(qiáng)對(duì)流天氣較南方偏少,但夏季7月到8月,這里大尺度的強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程較多,在5、6月,降雹等極強(qiáng)的對(duì)流天氣事件也時(shí)有發(fā)生,天氣系統(tǒng)有一定的代表性。
另外,人工引雷需要在相對(duì)安全的條件下開(kāi)展,對(duì)場(chǎng)地有一定的要求。例如要盡量遠(yuǎn)離高壓線,與城鎮(zhèn)、村莊等人員密集區(qū)域要有達(dá)到一公里或更遠(yuǎn)的距離。而10多名實(shí)驗(yàn)人員的日常生活辦公,也要求實(shí)驗(yàn)基地具有基本的市電、自來(lái)水等生活保障。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的選擇和確定,得到了山東省氣象局、濱州市氣象局以及當(dāng)?shù)厥小⒖h、鎮(zhèn)各級(jí)政府部門(mén)的大力支持和幫助。
我們?cè)缭?005年就開(kāi)始在山東省濱州市開(kāi)展人工引雷實(shí)驗(yàn),當(dāng)時(shí),這里建成了全國(guó)第二部、地市級(jí)首部新一代多普勒天氣雷達(dá),能夠較好地監(jiān)測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)展,可以為強(qiáng)對(duì)流和雷電探測(cè)研究提供良好的雷達(dá)數(shù)據(jù),這也是促成實(shí)驗(yàn)基地選擇濱州市的一個(gè)重要原因。
新京報(bào):開(kāi)展引雷實(shí)驗(yàn)以來(lái),團(tuán)隊(duì)發(fā)生過(guò)哪些驚心動(dòng)魄的故事?
蔣如斌:人工引雷作業(yè)依賴(lài)的一個(gè)重要條件是雷暴天氣過(guò)境,而復(fù)雜的大氣運(yùn)動(dòng),使得天氣過(guò)程本身時(shí)刻處于變化之中,存在著不確定性。對(duì)于我們來(lái)說(shuō),不管白天黑夜,只要強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)靠近了,具備了觀測(cè)和作業(yè)的條件,就必須迅速就位,正所謂:雷聲就是命令。
十多年以前,我們的場(chǎng)地設(shè)在相對(duì)開(kāi)闊的棉花地間,由于田間地壟無(wú)法行車(chē),天氣系統(tǒng)到來(lái)之前,我們要背著攝像機(jī)、對(duì)講機(jī)和部分重要的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)設(shè)備,步行前往1公里外的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。
有一次,對(duì)流降水系統(tǒng)范圍較大,但對(duì)流強(qiáng)度比較弱,因此并不產(chǎn)生雷電,絲毫沒(méi)有雷暴跡象,這種層狀云降水天氣不具備引雷作業(yè)條件,我們當(dāng)時(shí)并不特別關(guān)注,所以沒(méi)有到場(chǎng)地里提前做準(zhǔn)備。相對(duì)均勻的降雨持續(xù)了大半天,然而到了傍晚,降雨的強(qiáng)度突然增大,強(qiáng)烈的陣風(fēng)也刮了起來(lái),同時(shí)還響起了轟隆的雷聲,這表明原本弱的對(duì)流系統(tǒng)已經(jīng)增強(qiáng)為雷暴了,時(shí)間緊迫,我們要盡最大的可能抓住機(jī)會(huì)開(kāi)展引雷作業(yè)和觀測(cè)實(shí)驗(yàn),于是披著雨披,裹著設(shè)備就往外沖。
被雨水浸潤(rùn)過(guò)的泥濘道路異常難走,走到一半路時(shí),雷暴越來(lái)越強(qiáng),雷聲幾乎就在我們耳邊炸開(kāi),閃電劈到了我們周?chē)芙牡胤?,?dāng)時(shí)場(chǎng)地空曠,我們弓著腰前行,已經(jīng)沒(méi)有回頭路,因?yàn)榉祷睾颓靶械木嚯x幾乎是一樣的,盡管事后心有余悸,但當(dāng)時(shí)確實(shí)只能鉚足了勁往前沖。近幾年,由于交通條件的改善,我們可以駕車(chē)載著設(shè)備到達(dá)場(chǎng)地。
還有一件事我也記憶深刻。徒駭河是連著海的,個(gè)別極端的情況下,短時(shí)降水強(qiáng)度太大,加上河道上游泄洪,如果再恰逢海水漲潮倒灌,就會(huì)導(dǎo)致河面水位猛漲抬升,水有可能漫到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地中去。有一次,受到臺(tái)風(fēng)外圍雨帶持續(xù)強(qiáng)降水的影響,我們眼看著水位一點(diǎn)點(diǎn)地漲起來(lái),極有可能會(huì)淹過(guò)火箭點(diǎn)火盒以及光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)等一些關(guān)鍵、重要的儀器設(shè)備,盡管外邊的雨還在下個(gè)不停,我們也不得不涉水將它們?nèi)』貋?lái)。由于不知水位深淺,四個(gè)人需要兩兩之間用繩子綁著,一旦有人摔跤、滑倒,另一個(gè)人可以馬上幫扶??耧L(fēng)驟雨間,眼鏡被打掉了也顧不得拾回,回到室內(nèi)后,就進(jìn)入了瞇著眼睛看啥都模糊的狀態(tài)。
■談未來(lái)發(fā)展:
將研究小型化可移動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)施,追著雷暴作業(yè)
新京報(bào):把雷引下來(lái)后,可以獲取哪些數(shù)據(jù),如何開(kāi)展研究?
蔣如斌:自然發(fā)生的雷電,具有很強(qiáng)的隨機(jī)性,不便于提前安裝儀器設(shè)備對(duì)雷電流進(jìn)行測(cè)量。在人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)中,我們通過(guò)架設(shè)專(zhuān)用線圈和同軸分流器得到雷電流的直接探測(cè)數(shù)據(jù),這是最基本、最重要的數(shù)據(jù)。
人工引發(fā)雷電的雷擊位置是已知的,可以進(jìn)行自然雷電中難以實(shí)現(xiàn)的雷電放電電流測(cè)量、近距離乃至極近距離電磁場(chǎng)測(cè)量、閃電產(chǎn)生高能輻射測(cè)量等。利用高速攝像機(jī),我們可以拍攝捕捉雷電通道的形成過(guò)程,從而了解雷電是如何發(fā)展和傳輸?shù)摹?/span>
同時(shí),我們還能借實(shí)驗(yàn)對(duì)雷電定位系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,評(píng)估其定位效率和準(zhǔn)確性,并可對(duì)雷電防護(hù)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證,舉例來(lái)說(shuō),高聳的通訊信號(hào)塔經(jīng)常遭受雷擊,其本身是否能夠耐受住雷電的強(qiáng)大放電電流和劇烈電磁輻射的影響和破壞,通訊信號(hào)塔的防護(hù)措施到底是否有效?何種防護(hù)方法和設(shè)備的防護(hù)效果好?這些都可以利用人工引雷的辦法來(lái)測(cè)試。
新京報(bào):去年人工引雷的視頻在網(wǎng)上很火,你預(yù)料到了嗎?你如何看待公眾的關(guān)注?
蔣如斌:去年那次,我們是在凌晨四點(diǎn)左右開(kāi)始引雷實(shí)驗(yàn),上午實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,快到中午時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)、材料整理完畢,我們回看了拍攝到的引雷視頻,由于使用了慢動(dòng)作拍攝,很好的捕捉到了引雷火箭從點(diǎn)火、到發(fā)射升空、再到引發(fā)雷電的全過(guò)程,突然閃現(xiàn)于畫(huà)面的雷電光柱還是比較震撼的,相比以前的拍攝,更好地體現(xiàn)了引雷過(guò)程的壯觀,所以我們將視頻發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上,沒(méi)想到在很短的時(shí)間內(nèi)就引起了大量網(wǎng)友的關(guān)注和點(diǎn)贊,并迅速傳播開(kāi)來(lái)。
大家對(duì)于野外科學(xué)實(shí)驗(yàn)探索的關(guān)注熱情,是我們始料未及的。當(dāng)然,這種關(guān)注也給了我們一個(gè)契機(jī),讓大家更好地了解我們的雷電科學(xué)研究。
實(shí)際上,在老一輩科研人員的帶領(lǐng)下,經(jīng)過(guò)幾代人的不懈努力,我國(guó)的大氣電學(xué)研究經(jīng)歷了從無(wú)到有、從點(diǎn)到面、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的蛻變,研究的能力和水平不斷提升,如今,我國(guó)大氣電學(xué)的部分研究已經(jīng)走在了世界前列,一些研究成果在國(guó)際上產(chǎn)生了較為廣泛、深遠(yuǎn)的學(xué)術(shù)影響。
通過(guò)引雷視頻的傳播,我們所做的工作能被大家所了解,我覺(jué)得很有意義,也感到了一種自豪感和使命感。獲得大家的關(guān)注以后,我們可能要接受更多的采訪,進(jìn)行更細(xì)致的介紹。就我個(gè)人而言,我更希望將主要的時(shí)間和精力花在做實(shí)驗(yàn)和分析數(shù)據(jù)上。但另一方面,科學(xué)普及工作也是科研人員非常重要的社會(huì)責(zé)任,所以我也會(huì)盡量克服困難來(lái)參與科普、做好科普。
新京報(bào):人工引雷的發(fā)展歷程是怎樣的,未來(lái)人工引雷團(tuán)隊(duì)還將開(kāi)展哪些工作?
蔣如斌:人工引雷實(shí)驗(yàn)最早可追溯到20世紀(jì)60年代。1967年,科學(xué)家紐曼利用火箭拖帶導(dǎo)線在美國(guó)成功實(shí)施了人工引雷。之后,法國(guó)、中國(guó)、日本、巴西等國(guó)家也相繼引雷成功。中國(guó)的人工引雷實(shí)驗(yàn)始于20世紀(jì)70年代。中國(guó)科學(xué)院原蘭州高原大氣物理研究所(中科院原寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所的前身)曾于1977年利用土火箭首次人工引雷成功,1989年利用專(zhuān)用引雷火箭引雷成功。
我們?cè)谏綎|濱州的人工引雷實(shí)驗(yàn)開(kāi)始于2005年,并首次在國(guó)內(nèi)測(cè)量到了峰值達(dá)數(shù)萬(wàn)安培的回?fù)綦娏鞑ㄐ巍?006年開(kāi)始,中國(guó)氣象局也在廣東從化持續(xù)開(kāi)展人工引雷實(shí)驗(yàn)。
目前,人工引雷實(shí)驗(yàn)是基于地面固定裝置開(kāi)展,尚屬于守株待兔式作業(yè),需要等待雷暴云過(guò)境。雖然綜合利用多種探測(cè)手段,我們已經(jīng)能夠較好把握引雷時(shí)機(jī),但是,過(guò)境雷暴云的多少以及雷暴云的起電狀態(tài),直接決定了可開(kāi)展引雷作業(yè)的次數(shù),這限制了人工引雷的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用,未來(lái)有必要研發(fā)具有機(jī)動(dòng)性的引雷設(shè)施,并將引雷設(shè)施小型化,從而實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)作業(yè)。
此外,對(duì)于雷暴云內(nèi)起電過(guò)程的客觀、詳細(xì)物理機(jī)制,不同雷暴云在不同發(fā)展階段的云內(nèi)電荷結(jié)構(gòu)特征,以及雷電在云內(nèi)的初始激發(fā)條件和背景環(huán)境等,目前的認(rèn)識(shí)還不夠清楚,這些前沿基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題,也亟待通過(guò)進(jìn)一步的觀測(cè)研究予以解決。
新京報(bào)記者 張璐
編輯 陳靜 校對(duì) 吳興發(fā)