追踪雷电的轨迹

雷电是大气中最神秘也最强大的现象之一,利用火箭研究天然雷电的特性,以便进一步对其施加影响和利用,减少气象灾害,是大气科学家长期以来的一个梦想。

山东滨州,人迹罕至的棉花地,零零落落的简陋平房里,中科院工作人员正在检查设备。这天是2008 年6 月29 日,1 个小时后,雷公如约出现,工作人员想抢在他挥动雷神之锤,发出可怕的炫目亮光之前,用专用引雷火箭在天地间触发大气放电现象,也就是我们所说的闪电。

众所周知,对雷电的研究最早能追溯到1752 年6 月,本杰明•富兰克林在费城完成了著名的“风筝实验”,从实验知道了雷暴云带有电荷。随后,许多科学家投身到雷电研究中,发展出一整套雷电观测、研究、防范的科学体系。在“风筝实验”过去200 多年后,整个科学界对于雷电的基本物理过程有了一定认识,但有些问题仍未解决,对防雷产品的检测大多也仅停留在实验室模拟雷电场景阶段。

“一方面,直击雷电灾害的防护工作与以前相比未有本质上的提高,而另一方面,随着微电子设备的迅速发展,雷电带来的灾害却在不断升级,雷电造成的人员伤亡已使其成为中国仅次于暴雨洪涝、气象地质灾害之后名列第三的气象灾害,中国每年因雷电造成的经济损失高达亿元以上。如果能把雷电引到地面,深入研究雷电物理机理和雷害形成的机理,就能对其进行较好的防护,从而减小损失”,中科院大气物理研究所的郄秀书研究员说。

把雷电引到地面,目前通用的方法是火箭引雷,就是在适宜的雷爆条件下,通过一枚小型火箭将雷电人为地引到地面。过去人们很难对雷电进行直接测量,因为不知道它会打到什么地方。火箭引雷却能把雷引到预先设定的地点,以便集中现代化设备对雷电进行观测、研究,使本来随机发生的雷电在可控状态下进行,从而获得近距离研究雷电的机会。

捕捉雷电的地方

火箭和雷电第一次亲密接触由法国人促成,中国则开始于1974 年。这年原兰州高原大气物理研究所用防雹用土火箭,进行了人工引雷的尝试。目前,仅有法国、美国、中国、日本和巴西拥有这项技术。自2005年起,中国科学院火箭引雷实验小组开始在山东滨州地区开展实验。

滨州的这片棉花地里的简陋平房是实验人员的宿舍,距离宿舍直线距离1000 米的地方有一个小小的铁皮房子,它实际上是一个“法拉第笼”,笼内安装有雷电流测量设备。法拉第笼旁边70 米处是火箭引雷的控制室。控制室很简单,一张桌子,上面摆满了各种设备,分别是大气平均电场仪控制盒、光纤发射机、快慢天线电场变化仪控制盒和记录雷电数据的电脑和示波器等。它们都连着很长的线,光纤连接到火箭发射架上的光纤接收机,来控制火箭的发射,电缆线连接到电场探测设备的室外探头,用来传输雷电产生的电场变化信号。

法拉第笼,从物理学上讲,是一个密封的金属腔体,它是最早由英国物理学家法拉第根据静电平衡原理利用金属空腔隔离静电场影响所采用的一种结构。1876 年, 法拉第的学生麦克斯维提出将法拉第笼结构用于雷电防护,以减小雷击所造成的损失。

中国资深防雷专家王时煦教授在负责 1958 年人民大会堂工程的电气和防雷设计中率先采用了法拉第笼结构,将人民大会堂工程结构中的梁、板、柱以及基础内的所有钢筋全部焊成一体。这样,当有空腔的导体放入电场中时,导体中的电子会在外电场作用下发生移动,最后达到静电平衡――电子不再定向移动。此时金属空腔的内表面上处处没有电荷,电荷只能分布在腔体的外表面。由电场唯一性定理,腔内没有电场,电位处处相等,整个腔体是个等位体。这样一来,整幢建筑物实现了等电位连接,空腔导体隔离了外电场的作用,使外电场不能透入空腔内部,从而达到防雷的目的。

现在,法拉第笼已成为火箭引雷实验的标配。笼内所配的电流测量设备有同轴分流器和Rogowski 线圈,笼外顶部是5 米长的引流杆,雷电最终会引向这里。在法拉第笼旁边是火箭发射架,发射架上装有引雷专用火箭。这是最新的型号,2008 年由中科院大气物理所与陕西中天火箭公司合作研制,全称为“人工引雷专用火箭YL-1”。这种火箭全用复合材料制成,分伞仓、开伞装置、钢丝绳、发动机和尾翼几个部分。它具有空中抛伞和放线功能,放出的0.2 毫米钢丝绳能有数百米长,为了增加导线的机械强度及耐火强度,有的导线外面还包上一层尼龙,导线末端和引流杆相连。

工作人员仔细地检查了各条线路,检查完毕后,他们回到控制室,等待雷神的到来。“引雷也算是靠天吃饭,闪电不来,一点办法都没有,”参加引雷实验的现场科研人员介绍说。两个小时后,雷神没有如期而至,他们回到宿舍休息。

凌晨两点,电话突然响起,是山东省气象局打来的,雷暴马上要来了。电脑液晶显示屏幕上,只见一个巨大的云团如变形虫一样,迅速地挪向滨州地区。

大家迅速套上雨鞋雨衣再次奔向控制室。这时,外面狂风大作,风中无形的气流烦躁地上下翻滚,很快就大雨瓢泼。一个踉跄,雨鞋陷入湿软的土地,一个工作人员摔倒在地上,他赶紧用手将雨鞋从泥地中拔出,套在脚上,正当他要继续前行时,一个闪电咣当打在离他不远的地面。管不了那么多,大家匆匆忙忙往控制室奔。宿舍和控制室的直线距离很近,但要绕过湿软的棉花地,天气又恶劣,往往到了控制室,鞋子里全是雨水,冰冷冰冷的。10 分钟后,工作人员全体到达控制室。

当火箭引雷入地

工作人员手持对讲机,眼睛瞪着液晶屏上记录的曲线,时不时用余光看看外面的棉花,另一只手则放在激光发射机的小红点上,准备随时按下按钮。这些曲线来自“大气平均电场仪”,用于监测雷暴产生的电场变化。雷电发生前,云层中的电场将会影响地面的电场。不一会儿,屏幕上的曲线开始眼花缭乱起来。“根据地面上的电场强度,可以大概推断云层中的电场强度,以确定引雷时间。”工作人员解释说。

外面的风不断扫过棉花地,闪电也绵延不绝。“这不是引雷的好时机,虽然雷暴已当顶,但风太大,闪电太密集。”工作人员解释说,风太大容易把火箭吹跑,而闪电太密集也不好,容易在火箭上升的过程中发生自然击穿。

什么是自然击穿呢?佛罗里达理工学院的约瑟夫•杜艾尔曾打过一个比喻:可以想像一个三明治,地球和地球大气上方的电离层是两片导电性极好的面包片,而中间的地球大气却是良好的绝缘体。大地带负电荷,而电离层则带正电荷,两者间的电压相差约有30 万伏。在雷雨云中,上升气流和下降气流导致水分子相互碰撞,雨滴就会带上电荷,然后雷暴云会形成不同极性的电荷区。当这些电荷积蓄到一定数量和强度时,就会发生击穿放电。杜艾尔虽然用了很好理解的比喻解释闪电的形成过程,但他本人并不认同这种说法,因为多年以来,研究人员还是没能观测到足够强大、可以导致闪电释放的电场的存在。

30 分钟后,风小了很多,起码棉花没摇晃得那么厉害,闪电也消停了些。依据大气平均电场仪参数判断,该是出手的时候了。“引雷时机目前并没有一个定量化的标准,具体什么时候发射火箭,除了电场仪给出的数据外,在一定程度上还要靠经验。” 工作人员毫不犹豫地按下激光发射机上的红色按钮,几乎在同一时间,发射场的火箭拖着长长的导线,以每秒200 米的速度冲向浓密的乌云,在雷暴云和地面之间形成了一个天地通道。火箭在雷暴电场下上升,如果雷暴云带负电荷的话,由于静电感应,火箭头部带正电荷,导线一端带负电荷,引流杆顶端则会带正电荷。火箭离雷暴云越近,感应的电荷越多,电压差达到一定程度时,“啪”一声,闪电顺着火箭上的钢丝猛扎到地面。引雷成功。火箭残骸则随降落伞缓缓落到地面。

乍一看这个工作没什么太大的难度,不过是发射一枚小火箭而已,但有太多的因素影响引雷的成功。追踪雷电不像去迪斯尼看米老鼠,去了就能看到。大自然也需要喘息,不知道哪里确切能有闪电。除了靠天吃饭,火箭发射速度也很关键,因为太快会把导线拉断,引雷就难以成功;太慢不能冲破火箭头部的屏蔽电荷层,同样无法引雷落地。

雷电中的信息

当年,富兰克林在进行风筝实验的同时,还使用原始的蓄电池莱顿瓶做了一系列动物试验。这些试验包括:要用多少个小莱顿瓶才能电死一只鸡?如果换成火鸡,需要多大的莱顿瓶?为什么被电死的火鸡尝起来味道比用一般方法杀死的火鸡美味?据说富兰克林敢于冒险进行风筝实验的动力,就是为了给他的莱顿瓶充电。现在,很多人也有这样的幻想,通过火箭引雷蓄电。

地球上每天会有800 万次雷电。一次闪电, 云和大地间的电压可达1 亿伏,电流强度可达10 万安培,闪电的长度可达1 万米,电火花的长度也只有十几厘米,闪电的功率可达100 亿千瓦,是我国葛洲坝水电站发电功率的几千倍。雷电的确是一种强大的能源,能不能把这些能量安全地“引导”到地面上来,然后使本来随机发生的自然雷电,在人工可控的状态下服务于人类?

“想法很好,但需要走的路还很远。闪电的持续时间很短,一般就是一秒左右,就一次闪电而言,总的能量并不很多。要知道,收集雷电的电能并不像放个水盆接水那么简单。我们并不知道它发生的时间和位置,怎么有效的收集?风能有大气的环流系统支撑,知道大的趋势,雷电不能。”工作人员说。

除此以外,有报道称“北京延庆县许家营的一次人工引雷试验后,玉米地结出的玉米产量高于其他地块四倍以上。”记者查看了原始文章,文章作者意思是说在“收获时发现闪电击地点及闪电主分流电流通路附近的大田玉米单株双穗率和雄花结穗率比对照地段高出4 倍和2.8 倍”。而在山东引雷实验期间,雷电击中的地方,由于电流入地后的径向流动,半个月后,发现雷电击地点附近的棉花都死掉了。雷电对农业的作用究竟怎样,看来还需更广泛深入的研究。

如此说来,火箭引雷目前最重要的目的还是更好地研究雷电的物理机理和电磁辐射效应,积累原始数据。

另外,可以用火箭引雷对雷电防护设备和技术进行效果检验。记者打电话至普天中普防雷公司,询问避雷针是否通过测试,客服给出的答案是避雷针都没有测试,也没法测试。没有测试如何保证品质?

工作人员说,在工程应用上,除了能检验防雷产品的优劣,火箭引雷还能检验雷电定位网的探测效率和定位误差。雷电定位网实时监测雷电发生的位置和时间,对于雷电引起的输电线路故障和森林火灾位置的判断非常有用。但是雷电定位网确定的闪电位置是否准确,可以用火箭引雷来检验。国外在这方面已经做了很多工作,国内类似的工作目前还很少。“这些工作正是我们正要着手去做的。”