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探秘人工引雷-科学探秘大全集

-|分类:科学探秘|2017-07-22 16:57:29|-

中国气象报记者 崔国辉 赵晓妮

从富兰克林生活的时代开始,人们便试图将“天上的雷电”从空中引下。随着科学的发展,“人工引雷”逐渐引起科学家关注。

为解开雷电发生的物理过程之谜,中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室(以下简称重点实验室)雷电研究团队于2006年在广州从化建立了国内首个固定雷电野外试验基地,每年5月至8月开展人工引雷试验,目前已成功引雷百余次。在那里,他们进一步发展了人工引雷技术,大大提高了人工引雷的成功率,为雷电研究和防护技术发展提供了有效手段。同时,他们获取的分析资料填补了我国气象部门在雷电电流测量方面的空白。

近日,本报记者专访重点实验室首席研究员、雷电物理和防护工程实验室主任张义军,为大家揭秘人工引雷这件“酷炫”工作背后的玄机。

问:什么是人工引雷?其原理是什么?

答:人工引雷,指的是在雷暴环境下利用一定的装置和设施,人为在某一指定点触发闪电,并把闪电引到预知位置进行科学试验。

目前,通常是在雷暴条件比较成熟的情况下,通过带钢丝的小型火箭将雷电人为地引发到地面,使本来随机发生的自然雷电在可控状态下进行。钢丝在向上发展过程中,会诱导形成一个雷电,这个雷电就会沿着这个导线打到地面上。

雷电发生前,云层中的电场将会影响地面上的电场。根据地面上的电场强度,可以大概推断云层中的电场强度,以确定触雷时间。当火箭飞到200米至400米高度时,就在雷暴云和大地之间建立了一条放电“通道”。

问:如何实现人工引雷?

答:引雷火箭是人工引雷的主要工具,箭体内有火箭发动机、发动机点火电爆管。

人工引雷火箭拖着一条细细的钢丝,钢丝要有足够的抗拉强度,要细、要轻,以减轻火箭的负荷,而且导线表面要光滑,以减小飞行阻力。

火箭发射后上升的速度是决定能否成功引雷的关键。火箭的发射速度要掌握适中,太快了,会将钢丝拉断;火箭太慢,赶不上带电粒子的飘移速度,同样不能引雷电落地。

其他人工引雷手段,如向雷暴云喷射火焰或高压水柱以及激光诱雷等,目前尚未取得真正意义上的成功。激光诱雷涉及诸多理论和技术问题,是今后值得深入探讨和研究的课题,一旦获得成功,将具有重要的科学意义和实用价值。

问:人工引雷每次都能成功吗?

答:并非每次都能成功。

引雷需要研究确认闪电产生的条件,包括电场、电荷或其他有关的空间条件,同时要准确探测空中电场强度及其演变特性。当引雷条件满足,还要在自然闪电放电之前及时进行引雷。

目前,世界上只有法国、美国、日本、巴西和中国等掌握了人工引雷技术。

问:人工引来的雷电和自然条件下的雷电有什么相同和不同之处?

答:人工引雷能提供最接近真实的自然雷电模拟源,触发闪电的过程和自然闪电的过程是完全相似的。不过,自然界中闪电发生的时间和地点都很随机,而人工触发闪电可以预知发生的时间和地点。

在我国南方雷暴云条件下,绝大多数的人工触发闪电都是负极性的。地面触发的负极性闪电事件与高建筑物上发生的负极性上行自然闪电相类似,始于上行正先导,可能包含一次或多次直窜先导-回击过程,有时仅出现连续电流而无回击过程。地面触发方式的闪电事件不能模拟自然闪电向下发展的梯级先导-回击过程。

空中触发的负极性闪电则有着不同的特征,在火箭上升到一定高度后,在导线上下两端将分别产生向上传输的正先导以及向下传输的负先导,下行负先导向下发展并最后接地的过程能够在一定程度上模拟自然闪电的下行先导-回击过程,通常被称为下行先导-小回击过程。不管是地面触发还是空中触发方式的人工引雷,其初始连续电流过程之后的下行先导-回击过程,与自然闪电都没有根本性的差异。

问:人工引来的雷电最后用来做什么?

答:人工引雷可以为我国雷电监测、预警预报和防护技术研究与开发提供必要的基础平台,为我国雷电业务的发展提供更加科学的技术支撑,以提高我国雷电灾害防御能力。

传统的避雷系统是由避雷针、避雷带、引下线、接地体等构成的,但随着新型避雷装置的研究,需要进行更加实际的雷击试验。人工引雷提供了最接近真实的自然雷电模拟源,不但可以用于雷电物理研究,还能对雷电防护装置的性能进行综合试验和评估,结果更为可靠。

另外,人工引发雷电对雷暴电场和降水有明显影响,一般会导致降雨猛增,对冰雹云进行人工引雷则可以使冰雹削减、降水增加。未来,人工引雷有可能成为人工影响天气过程的一个有效手段。

人工引雷所在地点的附近还会产生强大的电磁辐射。这种辐射则可能诱发农作物或其种子基因发生变异。如果将人工引雷技术应用于人工育种,就能以大大低于太空育种的成本,选育出多种有实用价值的新品种。

雷电是一种强大的能源,如果能控制它并为人类造福将产生不可估量的价值,人工引雷火箭也许是走向成功的第一步。


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