掌控雷電的“超能力”

鳳琴

“轟隆”一聲，雷電當頭劈下，砸中了樹下避雨的人，接著點燃了落葉堆，大火熊熊燃起……作為一種常見的天氣現(xiàn)象，雷電時不時就會給我們帶來意外事故和損失，如何解決這個問題呢？現(xiàn)在人類已經(jīng)掌握了人工降雨和人工消雹等改變氣象的方法，那么我們能掌控雷電嗎？

人工引雷初現(xiàn)

人類掌控雷電的方法的靈感來源于一次偶然發(fā)現(xiàn)：1961年，美國氣象學家布魯克發(fā)現(xiàn)，美國海軍在切薩皮克灣進行了一次水下炸彈爆炸實驗，爆炸產(chǎn)物形成的羽狀流從雷暴云（伴有閃電的積雨云）上牽引下一道閃電。于是，布魯克想，我們能不能仿照爆炸物羽狀流，將雷電從天上引下來呢？

布魯克用琴弦、鋼絲等可導電的物體做了許多次實驗，他將多個氣球栓在幾千米長的導線頂端，然后在雷暴云下方放飛氣球，想看看閃電能不能通過導線被引下來。但是，無論布魯克怎么更換導線的材質(zhì)，仍然沒有一次看到閃電順著導線落下，僅在鋼絲上測量到幾毫安的電流強度。

比較了爆炸物羽狀流和實驗條件的差異后，布魯克猜測，在強電場作用下，瞬間聚集的大量電荷形成了屏蔽層，阻止了電流的流動，只有快速運動突破屏蔽層，電流才能產(chǎn)生。隨后，布魯克設(shè)計了另外一個實驗，以20米/ 秒的速度將一個接地導線穿入到強電場環(huán)境中，觀測到了電流在導線上流竄而過的現(xiàn)象。由此，布魯克得出結(jié)論，只要導線移動速度足夠快，能夠穿破電荷屏蔽層，就能在導線尖端形成放電現(xiàn)象。

那么，在實際操作中，上天速度最快的是什么呢？人們很快想到了火箭。1966年8月，美國科學家首次在位于佛羅里達州臨海附近的艦船上實施人工引雷，他們在小型火箭的尾部拴上一根極細的鋼絲，然后向著雷暴云發(fā)射火箭。在本次試驗中，科學家們嘗試了23次，其中17次成功了，積累下了豐富的經(jīng)驗。后來，法國、日本和中國等國家相繼成功實現(xiàn)了人工引雷?，F(xiàn)在，各國每年都會進行約幾十次的人工引雷實驗。

掌控雷電的要領(lǐng)

人工引雷的方法說起來好像很簡單，不過是向空中“放箭”而已，但其實想要成功引雷很不容易。

首先要滿足“天時地利”的條件：時間應(yīng)選空中聚集大量電荷時，即閃電前夕或雷暴“中場休息”的時候，地點應(yīng)選雷電多發(fā)地帶。只有滿足這兩個條件，才能保證雷電能被成功引發(fā)。因此科學家們在引雷前要做許多監(jiān)測和計算工作。

其次是火箭和導線的選擇。小型火箭造價不高，在一次實驗中可以發(fā)射多個火箭，而且小火箭也有利于控制運動速度?；鸺陌l(fā)射速度太快，容易將鋼絲拉斷而導致引雷失敗;火箭太慢，不利于沖破屏蔽層，同樣難以引發(fā)雷電，目前各國的引雷火箭速度都控制在100～200米/秒。

在實際引雷中，導線一般采用直徑為0.2毫米的細鋼絲或銅絲。為了增加銅絲的機械強度，還要在銅絲外面包上一層高強度的凱夫拉纖維。為了防止火箭高速上升將導線拉斷，導線與火箭之間常常還接有一段松緊帶。導線是否接地也有講究，如果要模擬自然閃電的形成過程，導線不能直接接地，而是通過一定長度的尼龍繩再接地，這樣形成的閃電就很“天然”，有利于科學家們研究閃電的成因。導線直接接地時，引雷更容易成功，同時會向空氣中釋放大量負氧離子，有消毒殺菌、凈化空氣的作用。

人工引雷試驗非常危險，因此，操作時必須采取嚴格的安全措施。在選定的引雷場地，需要安裝一個牢固可靠、有良好的屏蔽和接地的金屬方艙，即“法拉第籠”，即使法拉第籠被雷擊中，里面的試驗人員也不會觸電。整個引雷過程中，所有試驗人員必須待在法拉第籠中，除了這里，方圓百米的距離都人畜勿近?；鸺l(fā)射架安裝在法拉第籠周圍，確保引下來的雷電落點就在附近。距法拉第籠幾十米的距離，還安裝著能自動檢測閃電電磁數(shù)據(jù)的設(shè)備，科研人員能更安全地得到數(shù)據(jù)。

激光：人工引雷新方向

具備了以上條件，人工引雷才有可能成功，但是否成功還是要看天意，因為現(xiàn)有技術(shù)手段還不能直接探測空中電場強度，發(fā)射了火箭后不一定真的能引下雷電。綜合來看，世界各國發(fā)射火箭引雷的成功率約為60%。而一旦引雷失敗，如何安全回收可能帶電的導線也是一個難題，因此人工引雷仍是一個困難且危險的操作。

為了提高引雷的成功率和安全性，科學家們想出了一些引雷的新方法，水柱引雷、微波引雷、火焰引雷和激光引雷等。激光引雷是目前最具有實操性的新方法。

1974年，美國科學家保爾最早提出激光引雷的概念，可是很長一段時間，科學家們都沒想出方法實現(xiàn)這個操作。直到1994年，中國科學家王道洪等人才想出了激光引雷的可行方法——利用鐵塔尖端附近的強電場進行激光引雷。在雷暴云電場環(huán)境下，由于靜電感應(yīng)作用，塔頂附近存在強電場，此時將激光聚焦于塔頂?shù)纳峡諘r，激光可在此區(qū)域“點火”，產(chǎn)生一個向上的電流，該電流不斷匯聚電荷，從而最終觸發(fā)閃電。

基于這個理論，日本大阪大學的研究小組在常有雷暴發(fā)生的一座小山上建了一座50米高的鐵塔，進行了激光引雷的野外實驗。結(jié)果表明，雷暴期間塔頂上確實存在激光觸發(fā)放電所需要的電場強度。但雷云過頂時，受雪和雨的影響，激光強度嚴重衰減，以至于無法實現(xiàn)“點火”。想要成功點火，需要更大的激光發(fā)生器產(chǎn)生更強的激光，成本和設(shè)備規(guī)模再次限制了激光引雷的發(fā)展。

好在最近，澳大利亞國立大學的科學家想出了一個用小型激光器“點火”的方法，也許距離激光引雷的成功已經(jīng)不遠了。研究小組在兩個通電的金屬板之間添加了一些石墨烯微粒，然后用實驗室專用的激光器向金屬板發(fā)射激光，觀察激光束是否可以引發(fā)電流。實驗所用的激光強度只是計算出的可以引發(fā)閃電的最低激光強度的千分之一，但結(jié)果令人訝異：這樣低強度的激光束仍然引發(fā)了“閃電”。如果在野外實操中，石墨烯微粒也能降低點火需要的激光束強度，這種新方法將成為人工引雷的最優(yōu)方案。

掌握了人工引雷的“超能力”，我們不僅能改變雷電的落點，最大可能地消除雷電的危害，還能利用雷電生產(chǎn)化肥（將空氣中的氮氣和氧氣電離成離子，結(jié)合成天然氮肥）、人工育種（產(chǎn)生強大的電磁輻射，誘發(fā)農(nóng)作物變異）和清新空氣（制造負氧離子，凈化空氣）。未來，雷電說不定還能成為可控的環(huán)保新能源呢。