人工引雷

蔣如斌　劉冬霞

“雷車動地電火明，急雨遂作盆盎傾。”陸游的詩句反映了人們自古以來對雷電現象的好奇與想象。對于雷電的認識、防護甚至未來的利用，至今仍是科學研究中的重要問題，而人工引雷則是解決這些問題的一個重要方法。

中國科學院大氣物理研究所的雷電研究團隊日前在海南省成功開展了人工引雷實驗。值得一提的是，此次成功引發的雷電為正極性地閃，國際上一度認為正極性引雷是極難捕捉的。

海南人工引雷實驗不僅驗證了低緯度地區實現人工引雷的可行性，更奠定了低緯度雷暴系統和雷電特征研究實驗基礎，開啟了我國低緯度地區人工引雷實驗的新征程。

從用“風箏”到靠“火箭”

人工引雷，聽上去是一件很炫很神秘的事情，但從某種意義上可以說，人類最早對雷電的科學認識就來自人工引雷。

我們熟知的18世紀科學家富蘭克林所做的風箏實驗，讓人類第一次認識到，天上的雷電和地上的電流具有完全相同的性質。而本杰明·富蘭克林正是通過金屬絲拴的風箏，把天上的雷電引入萊頓瓶中，并通過各種電學實驗，證明天上的雷電與人工摩擦產生的電具有完全相同的性質。可以說，這就是最早的人工引雷。

大規模的人工引雷實驗開始于20世紀60年代。紐曼和布魯克兩位科學家最早提出了人工引雷的可能性——若將導線快速引入一定強度的電場中，就會產生放電現象。1967年，紐曼利用火箭拖帶導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。

人工引雷地面裝置。圖片| 北京日報

中國的人工引雷實驗始于20世紀70年代，中科院原蘭州高原大氣物理研究所于1977年首次利用土火箭人工引發雷電成功，1989年利用專用引雷火箭引雷成功，2005年第一次測到了微秒量級時間分辨率的回擊電流波形，2008年成功研制了擁有自主知識產權的新一代人工引雷火箭系統。依托引雷實驗，我國開展了多項科學性與應用性研究。可以說，凝聚了幾代“雷電人”努力與探索的引雷火箭，為雷電科學事業的發展作出了舉足輕重的貢獻。

為什么要做人工引雷實驗

從氣象科學上來說，雷電（閃電）是強對流過程的特征性天氣現象，雖然只發生在瞬間，卻伴隨著奪目的閃光、轟鳴的雷聲，雷電現象不僅有可能干擾通信、電子系統，造成電力系統中斷損壞，還會造成牲畜、人員傷亡，甚至會干擾鐵路交通的正常運行，威脅空中飛行器安全，更嚴重的雷擊災害還包括森林火災、油庫大火、化工廠爆炸。

想要減弱并防止雷電帶來的災害，就必須對它進行深入的科學研究，充分理解雷電的產生機制和致災機理。然而，考慮到自然閃電發生速度快、時間短，且位置隨機性極強的特點，對它進行研究具有很大的困難。相較于自然閃電，人工引發雷電的發生時間和發生位置都處于實驗的控制之下，便于實施科學觀測和應用測試，這樣一來，對于雷電發生發展機制的探索和對于雷電防護技術的研發就擁有了有力的手段。

人工引雷實驗不僅為認識閃電發生、發展的物理本質提供了良好條件，而且為雷電防護的測試與評估提供了實驗室無法模擬的真實雷擊。開展人工引雷實驗能夠進行雷電放電的物理過程機理和電磁輻射效應研究。具體而言，可以進行雷電物理參數測量，比如進行自然雷電當中難以實現的雷電放電電流測量、近距離乃至極近距離電磁場測量、閃電產生高能輻射的測量以及通過多種測量手段揭示以前沒有認識或者認識較為模糊的雷電放電新現象，厘清雷電的形成機理、發展傳輸特征。

人工引雷可定量開展雷擊致災機理研究和真實雷擊條件下的雷擊防護測試。以往，雷擊防護設備的有效性測試主要通過實驗室模擬放電來實現，但實驗室的雷擊測試很難同時構建自然雷電“高壓”“大電流”特征，與真實雷擊環境是有差別的。

人工引雷除了不能再現自然雷電的首次回擊以外，其他放電過程與自然雷電是幾乎相同的，即構建了自然雷暴天氣條件下的真實雷擊。由于位置已知，所以可以開展雷擊致災關鍵參量的測量并針對雷擊防護設備或系統進行測試評估，比如為防雷技術方案的完善提供重要數據，特別是通信、電力、化工等行業的雷擊敏感設施防護。

人工引雷實驗是怎樣進行的

自然閃電通常發生在雷暴云，即具有一定起電和雷電活動的對流活動旺盛的云中，這也是開展人工引雷作業的必要條件。通俗地講，人工引雷就是把即將發生的自然雷電，提前幾十到幾百毫秒人為誘發到指定位置，使其在指定的時間和指定的地點發生。引雷的最好時機是自然雷電即將發生但尚未發生之時，引雷作業需要根據強對流天氣實況、地面大氣電場、自然雷電發生頻率等信息，判斷頭頂雷暴云的起電狀況，確定發射引雷火箭的時機，一般要求雷暴云的對流比較旺盛、起電相對劇烈。

中科院大氣物理研究所正在進行人工引雷實驗。圖片| 北京日報