每年夏天，山東省濱州市沾化區久山村都會(huì )迎來(lái)一撥年輕人。在徒駭河岸邊，他們通過(guò)發(fā)射火箭進(jìn)行人工引雷，讓雷電在指定的時(shí)間和地點(diǎn)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(shí)驗短視頻因畫(huà)面炫酷，在網(wǎng)上爆火，引雷團隊也隨之走入公眾視野。當下正值雷雨頻發(fā)的季節，他們又再次駐扎在久山村，時(shí)刻等待著(zhù)雷電的到來(lái)。
人工引雷實(shí)驗如何進(jìn)行？有何應用？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(jìn)行采訪(fǎng)。
■談引雷實(shí)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(kāi)展引雷實(shí)驗？
蔣如斌：雷電不僅會(huì )造成雷擊事故，還會(huì )引起輸配電線(xiàn)路損毀，導致城鄉大規模停電；它也會(huì )引燃化工原料，使化工廠(chǎng)、油庫劇烈爆炸；還會(huì )造成廣播、通訊中斷，甚至嚴重威脅到航空航天等人類(lèi)活動(dòng)的安全。
在自然界，雷電產(chǎn)生于強對流天氣系統中，具有極強的瞬時(shí)性和隨機性，人們目前仍無(wú)法準確地提前預知雷電發(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(lái)了極大的困難。
如果有辦法讓雷電在指定的時(shí)間和地點(diǎn)發(fā)生，就可以對它進(jìn)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(shí)驗是如果進(jìn)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)射拖帶金屬導線(xiàn)的專(zhuān)用引雷火箭，從而人為誘發(fā)雷電的技術(shù)，通常被稱(chēng)為火箭-拖線(xiàn)人工引雷技術(shù)。
我們通常在火箭發(fā)射場(chǎng)的觀(guān)測控制室中，控制發(fā)射火箭。當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(diǎn)火發(fā)射，火箭的上升速度在每秒190米左右?；鸺惨砩瞎潭ㄖ?zhù)線(xiàn)軸，線(xiàn)軸上盤(pán)繞著(zhù)幾百米長(cháng)的細鋼絲，鋼絲的一端固定在地面上。隨著(zhù)火箭的上升，鋼絲被快速地拉伸開(kāi)，形成一條筆直的接地金屬通道。
引雷火箭實(shí)際上只能飛到離地幾百米的高度，而強對流云的電荷區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(chǎng)環(huán)境中，在尖端的位置處，強烈的電場(chǎng)畸變效應（尖端效應）導致尖端放電過(guò)程，形成迅速向上傳輸的放電通道，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(guò)程，從而成功地引發(fā)了雷電。雷電流經(jīng)由火箭拖曳的導線(xiàn)傳至與之相連的接閃桿——即避雷針上，再經(jīng)由引下線(xiàn)向大地泄散。
人工引雷畫(huà)面。受訪(fǎng)者供圖
新京報：科研人員如何精準判斷雷電將至，從而進(jìn)行準備？
蔣如斌：我們結合天氣預報結果，并查看天氣雷達、大氣電場(chǎng)儀、雷電定位系統等的實(shí)時(shí)監測結果，就能比較清楚地了解強對流天氣系統當前所處的位置，以及接下來(lái)可能移動(dòng)的方向。
通俗地講，雷暴天氣系統中，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(lèi)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(chǎng)，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(huì )發(fā)生反射、折射等，形成回波。在地圖上，當發(fā)現雷達探測區域內出現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?；趯?shí)時(shí)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(dòng)方向、速度，再結合大氣電場(chǎng)強度、雷電活動(dòng)的探測結果，就能夠較好地掌握雷暴系統的發(fā)展動(dòng)向，預判雷雨對實(shí)驗站的影響，提前一到兩小時(shí)進(jìn)行引雷作業(yè)準備。
新京報：如何掌握發(fā)射火箭的精準時(shí)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(chǎng)足夠強才能激發(fā)雷電，換言之，云內電場(chǎng)逐漸增強的過(guò)程就相當于雷電孕育的過(guò)程。
當然，云內的電場(chǎng)很難進(jìn)行直接探測和實(shí)時(shí)獲取，我們將測量大氣電場(chǎng)強度的設備安裝在地面，從而獲得地面大氣電場(chǎng)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(chǎng)強度，當大氣電場(chǎng)儀測得的電場(chǎng)顯著(zhù)增強，說(shuō)明云中的電荷量大、電場(chǎng)強，已形成了雷電發(fā)生的良好條件。
同時(shí)我們也使用雷電定位系統，通過(guò)在一定區域范圍內分布式架設雷電探測站網(wǎng)，探測雷電電磁波并進(jìn)行綜合解析，獲得當前雷電發(fā)生的位置、強度等信息，并進(jìn)一步獲知雷電活動(dòng)的主體區域和發(fā)生頻次。
此外，雷暴云系統的覆蓋范圍較為廣闊，肉眼觀(guān)測經(jīng)常只能看到烏云當空，但不能確定整個(gè)對流天氣系統相對于實(shí)驗站的具體空間位置狀態(tài)，因此，我們還會(huì )結合天氣雷達回波，判斷雷暴云是否處于實(shí)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(chǎng)儀、雷電定位系統的實(shí)時(shí)探測結果綜合起來(lái)，以確定合適的引雷時(shí)機。通過(guò)這些探測，當我們判斷出自然雷電尚未發(fā)生但即將發(fā)生時(shí)，就可以進(jìn)行引雷了。
在天空中轉瞬即逝的閃電。圖/IC photo
■談引雷故事：
雷聲曾經(jīng)在耳邊炸開(kāi)，我們仍然前行
新京報：人工引雷實(shí)驗基地為何選址在濱州市？對場(chǎng)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(guò)程較多，在5、6月，降雹等極強的對流天氣事件也時(shí)有發(fā)生，天氣系統有一定的代表性。
另外，人工引雷需要在相對安全的條件下開(kāi)展，對場(chǎng)地有一定的要求。例如要盡量遠離高壓線(xiàn)，與城鎮、村莊等人員密集區域要有達到一公里或更遠的距離。而10多名實(shí)驗人員的日常生活辦公，也要求實(shí)驗基地具有基本的市電、自來(lái)水等生活保障。當前實(shí)驗場(chǎng)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地市、縣、鎮各級政府部門(mén)的大力支持和幫助。
我們早在2005年就開(kāi)始在山東省濱州市開(kāi)展人工引雷實(shí)驗，當時(shí)，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據，這也是促成實(shí)驗基地選擇濱州市的一個(gè)重要原因。
新京報：開(kāi)展引雷實(shí)驗以來(lái)，團隊發(fā)生過(guò)哪些驚心動(dòng)魄的故事？
蔣如斌：人工引雷作業(yè)依賴(lài)的一個(gè)重要條件是雷暴天氣過(guò)境，而復雜的大氣運動(dòng)，使得天氣過(guò)程本身時(shí)刻處于變化之中，存在著(zhù)不確定性。對于我們來(lái)說(shuō)，不管白天黑夜，只要強對流系統靠近了，具備了觀(guān)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(chǎng)地設在相對開(kāi)闊的棉花地間，由于田間地壟無(wú)法行車(chē)，天氣系統到來(lái)之前，我們要背著(zhù)攝像機、對講機和部分重要的實(shí)驗觀(guān)測設備，步行前往1公里外的實(shí)驗場(chǎng)地。
有一次，對流降水系統范圍較大，但對流強度比較弱，因此并不產(chǎn)生雷電，絲毫沒(méi)有雷暴跡象，這種層狀云降水天氣不具備引雷作業(yè)條件，我們當時(shí)并不特別關(guān)注，所以沒(méi)有到場(chǎng)地里提前做準備。相對均勻的降雨持續了大半天，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(lái)，同時(shí)還響起了轟隆的雷聲，這表明原本弱的對流系統已經(jīng)增強為雷暴了，時(shí)間緊迫，我們要盡最大的可能抓住機會(huì )開(kāi)展引雷作業(yè)和觀(guān)測實(shí)驗，于是披著(zhù)雨披，裹著(zhù)設備就往外沖。
被雨水浸潤過(guò)的泥濘道路異常難走，走到一半路時(shí)，雷暴越來(lái)越強，雷聲幾乎就在我們耳邊炸開(kāi)，閃電劈到了我們周?chē)芙牡胤?，當時(shí)場(chǎng)地空曠，我們弓著(zhù)腰前行，已經(jīng)沒(méi)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，但當時(shí)確實(shí)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(chē)載著(zhù)設備到達場(chǎng)地。
還有一件事我也記憶深刻。徒駭河是連著(zhù)海的，個(gè)別極端的情況下，短時(shí)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(huì )導致河面水位猛漲抬升，水有可能漫到實(shí)驗場(chǎng)地中去。有一次，受到臺風(fēng)外圍雨帶持續強降水的影響，我們眼看著(zhù)水位一點(diǎn)點(diǎn)地漲起來(lái)，極有可能會(huì )淹過(guò)火箭點(diǎn)火盒以及光纖信號傳輸系統等一些關(guān)鍵、重要的儀器設備，盡管外邊的雨還在下個(gè)不停，我們也不得不涉水將它們取回來(lái)。由于不知水位深淺，四個(gè)人需要兩兩之間用繩子綁著(zhù)，一旦有人摔跤、滑倒，另一個(gè)人可以馬上幫扶?？耧L(fēng)驟雨間，眼鏡被打掉了也顧不得拾回，回到室內后，就進(jìn)入了瞇著(zhù)眼睛看啥都模糊的狀態(tài)。
■談未來(lái)發(fā)展：
將研究小型化可移動(dòng)實(shí)驗設施，追著(zhù)雷暴作業(yè)
新京報：把雷引下來(lái)后，可以獲取哪些數據，如何開(kāi)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備對雷電流進(jìn)行測量。在人工引發(fā)雷電實(shí)驗中，我們通過(guò)架設專(zhuān)用線(xiàn)圈和同軸分流器得到雷電流的直接探測數據，這是最基本、最重要的數據。
人工引發(fā)雷電的雷擊位置是已知的，可以進(jìn)行自然雷電中難以實(shí)現的雷電放電電流測量、近距離乃至極近距離電磁場(chǎng)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(guò)程，從而了解雷電是如何發(fā)展和傳輸的。
同時(shí)，我們還能借實(shí)驗對雷電定位系統進(jìn)行標定，評估其定位效率和準確性，并可對雷電防護設備進(jìn)行測試和驗證，舉例來(lái)說(shuō)，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？何種防護方法和設備的防護效果好？這些都可以利用人工引雷的辦法來(lái)測試。
新京報：去年人工引雷的視頻在網(wǎng)上很火，你預料到了嗎？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(diǎn)左右開(kāi)始引雷實(shí)驗，上午實(shí)驗結束后，快到中午時(shí)將相關(guān)數據、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(dòng)作拍攝，很好的捕捉到了引雷火箭從點(diǎn)火、到發(fā)射升空、再到引發(fā)雷電的全過(guò)程，突然閃現于畫(huà)面的雷電光柱還是比較震撼的，相比以前的拍攝，更好地體現了引雷過(guò)程的壯觀(guān)，所以我們將視頻發(fā)布在網(wǎng)絡(luò )上，沒(méi)想到在很短的時(shí)間內就引起了大量網(wǎng)友的關(guān)注和點(diǎn)贊，并迅速傳播開(kāi)來(lái)。
大家對于野外科學(xué)實(shí)驗探索的關(guān)注熱情，是我們始料未及的。當然，這種關(guān)注也給了我們一個(gè)契機，讓大家更好地了解我們的雷電科學(xué)研究。
實(shí)際上，在老一輩科研人員的帶領(lǐng)下，經(jīng)過(guò)幾代人的不懈努力，我國的大氣電學(xué)研究經(jīng)歷了從無(wú)到有、從點(diǎn)到面、從簡(jiǎn)單到復雜的蛻變，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(guò)引雷視頻的傳播，我們所做的工作能被大家所了解，我覺(jué)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(fǎng)，進(jìn)行更細致的介紹。就我個(gè)人而言，我更希望將主要的時(shí)間和精力花在做實(shí)驗和分析數據上。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(huì )責任，所以我也會(huì )盡量克服困難來(lái)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(lái)人工引雷團隊還將開(kāi)展哪些工作？
蔣如斌：人工引雷實(shí)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線(xiàn)在美國成功實(shí)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(shí)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（中科院原寒區旱區環(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(zhuān)用引雷火箭引雷成功。
我們在山東濱州的人工引雷實(shí)驗開(kāi)始于2005年，并首次在國內測量到了峰值達數萬(wàn)安培的回擊電流波形。2006年開(kāi)始，中國氣象局也在廣東從化持續開(kāi)展人工引雷實(shí)驗。
目前，人工引雷實(shí)驗是基于地面固定裝置開(kāi)展，尚屬于守株待兔式作業(yè)，需要等待雷暴云過(guò)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(shí)機，但是，過(guò)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(kāi)展引雷作業(yè)的次數，這限制了人工引雷的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用，未來(lái)有必要研發(fā)具有機動(dòng)性的引雷設施，并將引雷設施小型化，從而實(shí)現可移動(dòng)作業(yè)。
此外，對于雷暴云內起電過(guò)程的客觀(guān)、詳細物理機制，不同雷暴云在不同發(fā)展階段的云內電荷結構特征，以及雷電在云內的初始激發(fā)條件和背景環(huán)境等，目前的認識還不夠清楚，這些前沿基礎科學(xué)問(wèn)題，也亟待通過(guò)進(jìn)一步的觀(guān)測研究予以解決。
新京報記者 張璐
編輯 陳靜 校對 吳興發(fā)
