每年夏天，山東省濱州市沾化區(qū)久山村都會迎來一撥年輕人。在徒駭河岸邊，他們通過發(fā)射火箭進行人工引雷，讓雷電在指定的時間和地點發(fā)生，以便更好地研究雷電并測試防雷技術(shù)。他們就是中國科學(xué)院大氣物理研究所人工引雷團隊。
去年夏天，他們的引雷實驗短視頻因畫面炫酷，在網(wǎng)上爆火，引雷團隊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，時刻等待著雷電的到來。
人工引雷實驗如何進行？有何應(yīng)用？對此，新京報記者對中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員蔣如斌進行采訪。
■談引雷實驗：
讓雷電在可知可控的條件下發(fā)生，以便更好研究
新京報：為什么要開展引雷實驗？
蔣如斌：雷電不僅會造成雷擊事故，還會引起輸配電線路損毀，導(dǎo)致城鄉(xiāng)大規(guī)模停電；它也會引燃化工原料，使化工廠、油庫劇烈爆炸；還會造成廣播、通訊中斷，甚至嚴重威脅到航空航天等人類活動的安全。
在自然界，雷電產(chǎn)生于強對流天氣系統(tǒng)中，具有極強的瞬時性和隨機性，人們目前仍無法準確地提前預(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)和特征帶來了極大的困難。
如果有辦法讓雷電在指定的時間和地點發(fā)生，就可以對它進行更好的研究。人工引雷，就是一項讓雷電在可知可控的條件下發(fā)生的技術(shù)。
新京報：人工引雷實驗是如果進行的？
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)線的專用引雷火箭，從而人為誘發(fā)雷電的技術(shù)，通常被稱為火箭-拖線人工引雷技術(shù)。
我們通常在火箭發(fā)射場的觀測控制室中，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火發(fā)射，火箭的上升速度在每秒190米左右。火箭尾翼上固定著線軸，線軸上盤繞著幾百米長的細鋼絲，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，形成一條筆直的接地金屬通道。
引雷火箭實際上只能飛到離地幾百米的高度，而強對流云的電荷區(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電場環(huán)境中，在尖端的位置處，強烈的電場畸變效應(yīng)（尖端效應(yīng)）導(dǎo)致尖端放電過程，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。
人工引雷畫面。受訪者供圖
新京報：科研人員如何精準判斷雷電將至，從而進行準備？
蔣如斌：我們結(jié)合天氣預(yù)報結(jié)果，并查看天氣雷達、大氣電場儀、雷電定位系統(tǒng)等的實時監(jiān)測結(jié)果，就能比較清楚地了解強對流天氣系統(tǒng)當(dāng)前所處的位置，以及接下來可能移動的方向。
通俗地講，雷暴天氣系統(tǒng)中，對流抬升空氣，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)生雷暴強電場，致使雷電得以發(fā)生。
雷達向空間發(fā)射電磁波，電磁波遇到障礙物，比如雨滴、冰晶、冰雹，就會發(fā)生反射、折射等，形成回波。在地圖上，當(dāng)發(fā)現(xiàn)雷達探測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)黃色或者紅色的強回波，就表明該處生成了強對流天氣系統(tǒng)?；趯崟r探測的雷達回波圖，我們可以確定強對流天氣的生消狀態(tài)和移動方向、速度，再結(jié)合大氣電場強度、雷電活動的探測結(jié)果，就能夠較好地掌握雷暴系統(tǒng)的發(fā)展動向，預(yù)判雷雨對實驗站的影響，提前一到兩小時進行引雷作業(yè)準備。
新京報：如何掌握發(fā)射火箭的精準時機？
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，需要電場足夠強才能激發(fā)雷電，換言之，云內(nèi)電場逐漸增強的過程就相當(dāng)于雷電孕育的過程。
當(dāng)然，云內(nèi)的電場很難進行直接探測和實時獲取，我們將測量大氣電場強度的設(shè)備安裝在地面，從而獲得地面大氣電場的演變狀態(tài)，其能在一定程度上表征云中的電荷聚集程度及電場強度，當(dāng)大氣電場儀測得的電場顯著增強，說明云中的電荷量大、電場強，已形成了雷電發(fā)生的良好條件。
同時我們也使用雷電定位系統(tǒng)，通過在一定區(qū)域范圍內(nèi)分布式架設(shè)雷電探測站網(wǎng)，探測雷電電磁波并進行綜合解析，獲得當(dāng)前雷電發(fā)生的位置、強度等信息，并進一步獲知雷電活動的主體區(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，肉眼觀測經(jīng)常只能看到烏云當(dāng)空，但不能確定整個對流天氣系統(tǒng)相對于實驗站的具體空間位置狀態(tài)，因此，我們還會結(jié)合天氣雷達回波，判斷雷暴云是否處于實驗站上方?？傮w上，我們是將天氣雷達的回波信息，與大氣電場儀、雷電定位系統(tǒng)的實時探測結(jié)果綜合起來，以確定合適的引雷時機。通過這些探測，當(dāng)我們判斷出自然雷電尚未發(fā)生但即將發(fā)生時，就可以進行引雷了。
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，我們?nèi)匀磺靶?/span>
新京報：人工引雷實驗基地為何選址在濱州市？對場地有何要求？
蔣如斌：基地的選擇首先是考慮天氣情況，盡管北方的強對流天氣較南方偏少，但夏季7月到8月，這里大尺度的強對流天氣過程較多，在5、6月，降雹等極強的對流天氣事件也時有發(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安全的條件下開展，對場地有一定的要求。例如要盡量遠離高壓線，與城鎮(zhèn)、村莊等人員密集區(qū)域要有達到一公里或更遠的距離。而10多名實驗人員的日常生活辦公，也要求實驗基地具有基本的市電、自來水等生活保障。當(dāng)前實驗場地的選擇和確定，得到了山東省氣象局、濱州市氣象局以及當(dāng)?shù)厥?、縣、鎮(zhèn)各級政府部門的大力支持和幫助。
我們早在2005年就開始在山東省濱州市開展人工引雷實驗，當(dāng)時，這里建成了全國第二部、地市級首部新一代多普勒天氣雷達，能夠較好地監(jiān)測強對流天氣的發(fā)展，可以為強對流和雷電探測研究提供良好的雷達數(shù)據(jù)，這也是促成實驗基地選擇濱州市的一個重要原因。
新京報：開展引雷實驗以來，團隊發(fā)生過哪些驚心動魄的故事？
蔣如斌：人工引雷作業(yè)依賴的一個重要條件是雷暴天氣過境，而復(fù)雜的大氣運動，使得天氣過程本身時刻處于變化之中，存在著不確定性。對于我們來說，不管白天黑夜，只要強對流系統(tǒng)靠近了，具備了觀測和作業(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，我們的場地設(shè)在相對開闊的棉花地間，由于田間地壟無法行車，天氣系統(tǒng)到來之前，我們要背著攝像機、對講機和部分重要的實驗觀測設(shè)備，步行前往1公里外的實驗場地。
有一次，對流降水系統(tǒng)范圍較大，但對流強度比較弱，因此并不產(chǎn)生雷電，絲毫沒有雷暴跡象，這種層狀云降水天氣不具備引雷作業(yè)條件，我們當(dāng)時并不特別關(guān)注，所以沒有到場地里提前做準備。相對均勻的降雨持續(xù)了大半天，然而到了傍晚，降雨的強度突然增大，強烈的陣風(fēng)也刮了起來，同時還響起了轟隆的雷聲，這表明原本弱的對流系統(tǒng)已經(jīng)增強為雷暴了，時間緊迫，我們要盡最大的可能抓住機會開展引雷作業(yè)和觀測實驗，于是披著雨披，裹著設(shè)備就往外沖。
被雨水浸潤過的泥濘道路異常難走，走到一半路時，雷暴越來越強，雷聲幾乎就在我們耳邊炸開，閃電劈到了我們周圍很近的地方，當(dāng)時場地空曠，我們弓著腰前行，已經(jīng)沒有回頭路，因為返回和前行的距離幾乎是一樣的，盡管事后心有余悸，但當(dāng)時確實只能鉚足了勁往前沖。近幾年，由于交通條件的改善，我們可以駕車載著設(shè)備到達場地。
還有一件事我也記憶深刻。徒駭河是連著海的，個別極端的情況下，短時降水強度太大，加上河道上游泄洪，如果再恰逢海水漲潮倒灌，就會導(dǎo)致河面水位猛漲抬升，水有可能漫到實驗場地中去。有一次，受到臺風(fēng)外圍雨帶持續(xù)強降水的影響，我們眼看著水位一點點地漲起來，極有可能會淹過火箭點火盒以及光纖信號傳輸系統(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不停，我們也不得不涉水將它們?nèi)』貋?。由于不知水位深淺，四個人需要兩兩之間用繩子綁著，一旦有人摔跤、滑倒，另一個人可以馬上幫扶。狂風(fēng)驟雨間，眼鏡被打掉了也顧不得拾回，回到室內(nèi)后，就進入了瞇著眼睛看啥都模糊的狀態(tài)。
■談未來發(fā)展：
將研究小型化可移動實驗設(shè)施，追著雷暴作業(yè)
新京報：把雷引下來后，可以獲取哪些數(shù)據(jù)，如何開展研究？
蔣如斌：自然發(fā)生的雷電，具有很強的隨機性，不便于提前安裝儀器設(shè)備對雷電流進行測量。在人工引發(fā)雷電實驗中，我們通過架設(shè)專用線圈和同軸分流器得到雷電流的直接探測數(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，可以進行自然雷電中難以實現(xiàn)的雷電放電電流測量、近距離乃至極近距離電磁場測量、閃電產(chǎn)生高能輻射測量等。利用高速攝像機，我們可以拍攝捕捉雷電通道的形成過程，從而了解雷電是如何發(fā)展和傳輸?shù)摹?/span>
同時，我們還能借實驗對雷電定位系統(tǒng)進行標(biāo)定，評估其定位效率和準確性，并可對雷電防護設(shè)備進行測試和驗證，舉例來說，高聳的通訊信號塔經(jīng)常遭受雷擊，其本身是否能夠耐受住雷電的強大放電電流和劇烈電磁輻射的影響和破壞，通訊信號塔的防護措施到底是否有效？何種防護方法和設(shè)備的防護效果好？這些都可以利用人工引雷的辦法來測試。
新京報：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，我們是在凌晨四點左右開始引雷實驗，上午實驗結(jié)束后，快到中午時將相關(guān)數(shù)據(jù)、材料整理完畢，我們回看了拍攝到的引雷視頻，由于使用了慢動作拍攝，很好的捕捉到了引雷火箭從點火、到發(fā)射升空、再到引發(fā)雷電的全過程，突然閃現(xiàn)于畫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)了引雷過程的壯觀，所以我們將視頻發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上，沒想到在很短的時間內(nèi)就引起了大量網(wǎng)友的關(guān)注和點贊，并迅速傳播開來。
大家對于野外科學(xué)實驗探索的關(guān)注熱情，是我們始料未及的。當(dāng)然，這種關(guān)注也給了我們一個契機，讓大家更好地了解我們的雷電科學(xué)研究。
實際上，在老一輩科研人員的帶領(lǐng)下，經(jīng)過幾代人的不懈努力，我國的大氣電學(xué)研究經(jīng)歷了從無到有、從點到面、從簡單到復(fù)雜的蛻變，研究的能力和水平不斷提升，如今，我國大氣電學(xué)的部分研究已經(jīng)走在了世界前列，一些研究成果在國際上產(chǎn)生了較為廣泛、深遠的學(xué)術(shù)影響。
通過引雷視頻的傳播，我們所做的工作能被大家所了解，我覺得很有意義，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，進行更細致的介紹。就我個人而言，我更希望將主要的時間和精力花在做實驗和分析數(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責(zé)任，所以我也會盡量克服困難來參與科普、做好科普。
新京報：人工引雷的發(fā)展歷程是怎樣的，未來人工引雷團隊還將開展哪些工作？
蔣如斌：人工引雷實驗最早可追溯到20世紀60年代。1967年，科學(xué)家紐曼利用火箭拖帶導(dǎo)線在美國成功實施了人工引雷。之后，法國、中國、日本、巴西等國家也相繼引雷成功。中國的人工引雷實驗始于20世紀70年代。中國科學(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年利用專用引雷火箭引雷成功。
我們在山東濱州的人工引雷實驗開始于2005年，并首次在國內(nèi)測量到了峰值達數(shù)萬安培的回擊電流波形。2006年開始，中國氣象局也在廣東從化持續(xù)開展人工引雷實驗。
目前，人工引雷實驗是基于地面固定裝置開展，尚屬于守株待兔式作業(yè)，需要等待雷暴云過境。雖然綜合利用多種探測手段，我們已經(jīng)能夠較好把握引雷時機，但是，過境雷暴云的多少以及雷暴云的起電狀態(tài)，直接決定了可開展引雷作業(yè)的次數(shù)，這限制了人工引雷的進一步開發(fā)利用，未來有必要研發(fā)具有機動性的引雷設(shè)施，并將引雷設(shè)施小型化，從而實現(xiàn)可移動作業(yè)。
此外，對于雷暴云內(nèi)起電過程的客觀、詳細物理機制，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，目前的認識還不夠清楚，這些前沿基礎(chǔ)科學(xué)問題，也亟待通過進一步的觀測研究予以解決。
新京報記者 張璐
編輯 陳靜 校對 吳興發(fā)
