還記得中科院“人工引雷”的高能視頻嗎？

一道閃電從天而降，宛若孫大圣的“金箍棒”一般筆直入地。這高能爆燃的一幕其實(shí)只是常見的雷電現(xiàn)象，但不同的是，這一次它是被中科院大氣物理研究所（以下簡稱大氣物理所）的科研人員人工引發(fā)而產(chǎn)生的。

工作人員遠(yuǎn)程發(fā)射專用引雷火箭 大氣物理所供圖

　　人工引雷危險嗎？成功率有多高？人工引雷的目的是什么？對于我們應(yīng)對雷暴災(zāi)害有哪些幫助？帶著這些問題，《中國科學(xué)報》近日專訪了視頻中開展人工引雷的團(tuán)隊成員——中科院大氣物理所中層大氣和全球環(huán)境探測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、副研究員蔣如斌及研究員郄秀書。

　　初識人工引雷：人類控制利用雷電夢想成真

　　《中國科學(xué)報》：請簡要介紹一下人工引雷這項技術(shù)。

　　蔣如斌：人工引雷是指向起電的雷暴云體發(fā)射拖帶金屬導(dǎo)線的專用引雷火箭以引發(fā)雷電的專門技術(shù)，被稱為“火箭—拖線人工引雷技術(shù)”。通常在合適的雷暴電場條件下，當(dāng)引雷火箭上升達(dá)到200米左右的高度時即可引雷成功。

　　《中國科學(xué)報》：人工引雷是近年來興起的嗎？中間經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展？

　　郄秀書：其實(shí)，人工引雷實(shí)驗(yàn)已不是新鮮事物了。從20世紀(jì)60年代開始，美、法、中、日等都先后成功開展了人工引發(fā)雷電實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)開始于2005年，并首次在國內(nèi)測量到了峰值達(dá)數(shù)萬安培的回?fù)綦娏鞑ㄐ巍?006年開始，中國氣象局也在廣東從化持續(xù)開展人工引雷實(shí)驗(yàn)。

　　為進(jìn)一步改進(jìn)火箭的性能，大氣物理所與中國航天總公司陜西中天火箭技術(shù)有限責(zé)任公司合作，2008年聯(lián)合研發(fā)了新型人工引雷專用火箭，并在2009年的人工引雷實(shí)驗(yàn)中首次使用并取得成功。目前國內(nèi)的人工引雷實(shí)驗(yàn)都使用了我們研制的引雷火箭，成本比進(jìn)口的引雷火箭低很多。

　　截至目前為止，國內(nèi)成功引發(fā)雷電總和估計超過300次，不僅在雷電科學(xué)研究方面取得了很多重要的發(fā)現(xiàn)，在國際學(xué)術(shù)界占有重要地位，也在防雷技術(shù)測試方面發(fā)揮了重要作用。

　　可以說，人工引雷使得人類控制雷電、利用雷電的夢想成為了現(xiàn)實(shí)。我國的人工引雷科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展到今天，背后凝聚著三四代人的不斷努力和探索，成果來之不易。

　　《中國科學(xué)報》：人工引雷的操作危險嗎？現(xiàn)場需要做哪些防護(hù)措施？

　　蔣如斌：雷電具有高電壓、大電流、強(qiáng)電磁輻射的特征，與之打交道在客觀上確實(shí)存在很大的危險性。不過，開展科學(xué)研究，安全始終是第一位的，我們的人工引雷實(shí)驗(yàn)對人員和儀器設(shè)備的安全都做了比較周全的考慮，采取了科學(xué)的防護(hù)措施，因此總體上是安全的。

　　《中國科學(xué)報》：都采取了哪些科學(xué)的防護(hù)措施？

　　蔣如斌：比如，通過一定的技術(shù)設(shè)計，使得所引發(fā)的雷電直接擊到一個接閃引流桿，最終看似“高能”的雷電電流通過這個引流桿泄放到了大地，雷擊被限定在固定的火箭發(fā)射架區(qū)域。

　　另外，在距離火箭發(fā)射架幾十米左右的地方，建有一個具有很好接地、屏蔽功能的控制室，實(shí)驗(yàn)人員在控制室內(nèi)進(jìn)行操作，通過光纖下達(dá)發(fā)控指令，所有電流、電磁輻射等測量信號也傳輸?shù)竭@個控制室進(jìn)行記錄，確保引發(fā)雷擊區(qū)域之間的“電隔離”。室內(nèi)還配備有獨(dú)立的發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電，也保證了室內(nèi)觀測實(shí)驗(yàn)的安全。

　　《中國科學(xué)報》：什么天氣條件下適宜開展人工引雷作業(yè)？如何把握引雷的最好時機(jī)？

　　蔣如斌：自然界中，絕大部分雷電發(fā)生于對流旺盛的雷暴云中，即具有一定起電和雷電活動的強(qiáng)對流云中，這也是開展人工引雷作業(yè)的必要條件。通俗地講，人工引雷就是把即將發(fā)生的自然雷電，提前幾十到幾百毫秒人為誘發(fā)到指定位置，使其在指定的時間和指定的地點(diǎn)發(fā)生。

　　引雷的最好時機(jī)是自然雷電即將發(fā)生但尚未發(fā)生之時，引雷作業(yè)需要根據(jù)強(qiáng)對流天氣實(shí)況、地面大氣電場、自然雷電發(fā)生頻率等信息，判斷頭頂雷暴云的起電狀況，確定發(fā)射引雷火箭的時機(jī)，一般要求雷暴云的對流比較旺盛、起電相對劇烈。

　　再看人工引雷：科學(xué)認(rèn)識雷電用途多多

　　《中國科學(xué)報》：人工引雷的主要用途是什么？

　　郄秀書：目前為止，人工引雷的最主要的目的還是為了更科學(xué)地認(rèn)識雷電。人工引雷可以在一定的時間和空間可控狀態(tài)下進(jìn)行，為集中多種觀測設(shè)備對雷電進(jìn)行直接和近距離測量提供了條件，比如：雷電的放電電流直接測量和近距離電磁場的測量，從而有助于解雷電的物理過程和電荷傳輸特征、放電強(qiáng)度、電磁輻射特征，以及雷電與地面目標(biāo)物的相互作用等。隨著人工引雷技術(shù)趨于成熟，人工引雷實(shí)驗(yàn)不僅在科學(xué)研究發(fā)揮著重要作用，也在通訊、石化、電力等行業(yè)的雷電防護(hù)技術(shù)測試，以及雷電定位系統(tǒng)的效果評估等方面得到了應(yīng)用。當(dāng)然，我們雷電研究的目的，也希望有朝一日能更好的干預(yù)和影響雷電、控制雷電，甚至安全利用雷電，但這都要建立在對雷電的科學(xué)認(rèn)識之上。

　　《中國科學(xué)報》：如何做“真實(shí)條件下的雷擊防護(hù)測試”？

　　郄秀書：以往，雷擊防護(hù)設(shè)備的有效性測試主要基于高壓實(shí)驗(yàn)室模擬的長間隙放電開展，但實(shí)驗(yàn)室的模擬雷擊很難同時構(gòu)建自然雷電“高電壓”“大電流”等特征，與實(shí)際雷擊環(huán)境是有差別的。人工引雷除了不能再現(xiàn)自然雷電擊中地面時的首次回?fù)艏捌渲暗倪^程以外，其他放電過程與自然雷電是幾乎相同的，屬于自然雷暴天氣條件下的真實(shí)雷擊。由于位置確定，便于對雷擊致災(zāi)的關(guān)鍵參量進(jìn)行測量、并對雷擊防護(hù)設(shè)備的性能進(jìn)行測試評估，獲取重要的測試數(shù)據(jù)從而支撐相應(yīng)雷電防護(hù)技術(shù)的提升與完善。已開展的測試對象包括通訊、電力、石油化工等行業(yè)當(dāng)中雷擊敏感設(shè)施（如通訊基站鐵塔、輸電線路、儲油罐等）的防護(hù)系統(tǒng)等。

　　《中國科學(xué)報》：“雷電定位系統(tǒng)”是什么，它主要發(fā)揮哪些作用？

　　郄秀書：雷電定位系統(tǒng)主要是用于確定雷電發(fā)生的時間、位置、強(qiáng)度和類型等特征的一種雷電測量裝置。通常是利用相距一定距離的多個測量站來同步測量雷電放電過程產(chǎn)生的不同頻段的電磁波，再通過一定的定位原理和算法設(shè)計，來反演確定放電事件的發(fā)生時間、位置等信息，它是觀測和定量研究雷電的重要基礎(chǔ)，也是進(jìn)行雷電監(jiān)測預(yù)警的重要手段。

　　根據(jù)目的不同，可以建立不同類型的閃電定位系統(tǒng)。比如，對于科學(xué)研究來說，關(guān)心的是閃電發(fā)展傳輸?shù)娜^程，需要對一次閃電放電的全過程進(jìn)行高精度高時間分辨率的三維成像定位，近10年來，類似的定位系統(tǒng)在國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)中發(fā)展非常迅速。而對于業(yè)務(wù)化的閃電監(jiān)測而言，可能更關(guān)心地閃打到地上的時間、擊地位置、峰值電流強(qiáng)度等，這些信息可幫助進(jìn)行森林雷擊火災(zāi)的判別，雷擊輸電線路故障點(diǎn)查找等。業(yè)務(wù)化的閃電定位系統(tǒng)在氣象、電力、林業(yè)、航空等部門都有廣泛的應(yīng)用，甚至在航天發(fā)射中也都配備有雷電定位系統(tǒng)。

　　展望人工引雷：仍有待解之謎

　　《中國科學(xué)報》：人工引雷的雷電能量可以存儲嗎？

　　郄秀書：目前還沒有存儲雷電能量的設(shè)想，這主要是因?yàn)橐淮卫纂姷哪芰坎⒉淮蟆?/span>

　　雷電是一種瞬時放電過程，其瞬時功率非常強(qiáng)，峰值功率可以達(dá)到10億千瓦，峰值電流可以達(dá)到幾十萬安培，但這種高功率的持續(xù)時間僅在微秒量級，一次閃電能量約為109焦耳，差不多可供30個100瓦的燈泡照明100 小時。因此閃電雖然有強(qiáng)大的瞬時功率，可以造成巨大的破壞力，但能量很小，存儲下來的利用價值微不足道，或者說性價比不高。

　　《中國科學(xué)報》：人工引雷能夠引起雨量增加或者減少冰雹災(zāi)害嗎？

　　郄秀書：有研究認(rèn)為人工引雷發(fā)生后，通道附近會出現(xiàn)降水傾瀉的現(xiàn)象，成功進(jìn)行人工引雷實(shí)驗(yàn)的雷暴也有冰雹減少的現(xiàn)象，但是目前觀察的這種現(xiàn)象的資料太少，不具有統(tǒng)計意義。

　　人工引雷和人工降雨增加降水、減少冰雹的原理不同。人工降雨和人工消雹技術(shù)是通過飛機(jī)、火箭、大炮等向云中播撒碘化銀等催化劑，改變云微物理過程，實(shí)現(xiàn)提前或延緩降水、增加或減少降水及消減冰雹的目的。人工引雷后降雨的增加可能是由于雷電導(dǎo)致帶電的雨滴等所受電場力驟降，短時間內(nèi)的降水強(qiáng)度突然增加，其影響的時間和空間范圍有限。

　　《中國科學(xué)報》：人工引雷能否“引”出或者捕捉、控制球狀閃電？

　　蔣如斌：至今，尚無任何證據(jù)表明人工引雷曾“引”出過球狀閃電。球狀閃電的發(fā)生比較罕見，因此對球狀閃電的有效觀測結(jié)果還很少，目前，學(xué)術(shù)界對球狀閃電發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識還存在很大爭議。

　　《中國科學(xué)報》：我們對雷電的認(rèn)識還有哪些亟待探索的問題？

　　郄秀書：實(shí)際上關(guān)于閃電，人類還有很多問題沒有解決。比如：閃電如何在云內(nèi)始發(fā)？閃電通道如何發(fā)展傳輸？雷電電荷如何傳輸？閃電放電過程中的能量如何分配？閃電發(fā)生時的云內(nèi)電場有多強(qiáng)？閃電是否可以產(chǎn)生高能X射線和伽馬射線？

　　甚至還有一些閃電的基本問題，如：為什么有些閃電僅發(fā)生在云內(nèi)，有些會打到地上？不同閃電的強(qiáng)度、發(fā)展特征等為何不同？看似有很大隨機(jī)性的閃電到底有哪些共性規(guī)律和不同？哪些地方更易遭受雷擊？等等。