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自然發(fā)生的雷電
行蹤詭異、難以預測;
而人工引雷,
就是讓雷電在可知可控的條件下發(fā)生的技術(shù)。
蔣如斌 · 中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員
格致論道77期 | 2022年2月26日 北京
大家好,我是蔣如斌,來(lái)自于中國科學(xué)院大氣物理研究所。很高興今天有機會(huì )跟大家分享我與雷電打交道的故事和經(jīng)歷。
說(shuō)到雷電,大家應該都不陌生。就像這個(gè)畫(huà)面一樣,它往往出現在狂風(fēng)暴雨的惡劣天氣中。大家可能也都看過(guò)一些仙俠主題的影視劇,其中雷電經(jīng)常會(huì )和“渡劫”聯(lián)系在一起。
這是為什么呢?我想,可能是因為像“電絞”這樣的刑罰是人們所能想象的最大的一種痛苦了吧。在對世界末日、驚世浩劫之類(lèi)場(chǎng)景的想象中,也常常伴以天雷滾滾的形象。這就在一定程度上表明了人們對于雷電的敬畏之心,也表明雷電的危害之大、威力之兇猛。
雷祖:九天應元雷聲普化天尊(左)
雷公、電母(中)
雷神 Thor(右)
在東西方的古神話(huà)當中,雷電往往也是神秘力量的代表。比如我國古代道教的雷祖以及很多亞洲國家的雷公和電母,還有西方神話(huà)當中的雷神等。
“無(wú)惡不作“的雷電
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人們對于雷電的敬畏和驚恐之心是非常自然的,因為它確實(shí)能給我們生活的各個(gè)方面帶來(lái)嚴重的威脅,甚至會(huì )導致嚴重的人員傷亡。在雷電防護水平和公眾防雷意識都比較低的印度,嚴重時(shí)可能1個(gè)月就有數百人因雷擊而死亡。
大家注意看這棵樹(shù)下的4個(gè)人,是不是覺(jué)得有一點(diǎn)嚇人?當然,這個(gè)視頻也再次提醒我們:在雷雨天氣的時(shí)候,千萬(wàn)千萬(wàn)不要在大樹(shù)底下避雨。
雷電的災害實(shí)際上不僅如此。2019年3月底,四川省涼山州發(fā)生了嚴重的森林火災,32名消防戰士在這場(chǎng)火災中壯烈地犧牲。而這場(chǎng)火災的罪魁禍首就是雷電。
還有讓我們特別心痛的2011年7·23特大鐵路交通事故,列車(chē)追尾導致了這場(chǎng)觸目驚心的災難。這場(chǎng)災難背后的原因,就是雷擊導致了列車(chē)運行控制中心設備的嚴重故障。
此外,雷電還會(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;它也會(huì )造成廣播、通訊中斷,甚至嚴重威脅航空航天活動(dòng)以及國防活動(dòng)的安全。
說(shuō)到這里,我想在大家的心中,雷電可能已經(jīng)被描繪成了一個(gè)無(wú)惡不作的“瘋子”。雷電似乎天生就帶著(zhù)一種不可饒恕的“原罪”,但是和雷電打了十幾年的交道之后,我總會(huì )試圖向周?chē)鷤鬟_:雷電實(shí)際上也有“性本善”的那些方面。
雷電的“另一面”
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這時(shí)候大家可能會(huì )非常鄙夷,覺(jué)得看到了一個(gè)虛偽的形象,也會(huì )有人說(shuō):蔣老師你是不是得了斯德哥爾摩綜合征?把它的暴力幻想成了它那該死的魅力?我想說(shuō),其實(shí)并不是這樣的。接下來(lái),我想帶大家一起去了解雷電那些不太一樣的側面。
米勒實(shí)驗
作為一種自然的物理過(guò)程,雷電的歷史實(shí)際比地球上的生命更加久遠。著(zhù)名的米勒實(shí)驗曾經(jīng)模擬了早期地球的原始大氣,把原始大氣放到圖中右上角的玻璃瓶里進(jìn)行電擊,取得了一些氨基酸和其他有機物小分子??茖W(xué)家在當時(shí)推測,雷電可能在地球生命的起源過(guò)程中扮演了非常重要的角色。
最近的研究探索了雷擊地球表面產(chǎn)生的閃電熔巖,發(fā)現其中含有大量的活性磷和有機磷酸鹽分子。這類(lèi)物質(zhì)實(shí)際上對生命誕生非常重要,打個(gè)比方的話(huà),我們可以把雷電比作為女?huà)z造人提供了最為寶貴的泥團。
再把視角拉回到日常生活當中。我們知道,大氣電離層在我們的頭頂上方大概60公里,正是它對電波的反射,使得廣播通訊的信號能夠在很遠的距離以外被接收到。
但是研究發(fā)現,電離層實(shí)際上會(huì )源源不斷地向地球“漏電”。那么大家可能就會(huì )擔心,這電會(huì )不會(huì )漏光?如果這樣,我們的廣播通訊事業(yè)豈不會(huì )面臨著(zhù)癱瘓的危險?但實(shí)際上,雷電和強對流雷暴云會(huì )默默地給電離層“充電”,動(dòng)態(tài)地維持著(zhù)電離層和地球電路的平衡。
此外,在擊穿大氣的過(guò)程中,雷電使得放電通道達到上萬(wàn)度的高溫,可以使氮氣、氧氣被完全電離,從而形成我們所說(shuō)的氮氧化物,進(jìn)一步形成硝酸鹽,而硝酸鹽恰恰是農作物生長(cháng)所需的養料。同時(shí),由于雷電產(chǎn)生的氮氧化物會(huì )進(jìn)入全球的氮循環(huán),所以會(huì )對全球氣候和環(huán)境變化起到一定的調節作用。
所以,在雷雨灌溉大地的同時(shí),雷電也在起著(zhù)固氮施肥的作用??赡艽蠹視?huì )好奇,是不是能用雷電來(lái)發(fā)展綠色農業(yè)呢?就我個(gè)人而言,對這一點(diǎn)持比較保守的態(tài)度。
此外,雷電還可以幫助我們監測和預報強對流天氣,比如短時(shí)的強降雨。這是為什么呢?因為雷電本身孕育在強對流天氣系統的云系當中,蘊含了非常豐富的雨、雪、冰以及這種流場(chǎng)中風(fēng)的信息。通過(guò)準確地探測雷電,并將相關(guān)信息整合到強對流天氣系統的數值模擬預報中,就有可能改進(jìn)它的預報效果。
除了有用以外,雷電還可以說(shuō)是一名“藝術(shù)家”。長(cháng)期以來(lái),一般認為雷電只能發(fā)生在地面以上十幾公里以?xún)鹊膶α鲗赢斨?,而對流層以上?0公里的平流層、甚至平流層再往上的中間層大氣,被認為是沒(méi)有放電活動(dòng)的。
實(shí)際上,發(fā)生在對流層的雷電活動(dòng)會(huì )產(chǎn)生強烈的電磁輻射效應,電磁波會(huì )傳到并影響幾十公里甚至上百公里的高空,而在稀薄的大氣中會(huì )產(chǎn)生尺度更大、更加絢麗多彩的放電現象。它們有著(zhù)非常有意思的名字,比如紅色精靈、巨大噴流、藍色噴流等,就像圖中所展示的這樣。
我們來(lái)看一看用黑白相機拍攝到的紅色精靈。它發(fā)生、發(fā)展、放電的詳細過(guò)程,就像一朵在高空中綻放的煙花,特別漂亮和壯觀(guān)。
講到這里,我真的特別希望雷電在大家心中會(huì )有一個(gè)全新的印象。在我眼里,雷電是非常壯美的,我認為這種壯美并不是所謂的“惡之花”。我傾向于認為,雷電所導致的錯誤、帶來(lái)的災害甚至苦難是無(wú)心而為的結果,我特別希望人類(lèi)能夠跟雷電成為和諧共處的朋友。
那么,這就需要我們進(jìn)一步地了解雷電、認識雷電、靠近雷電,但這其實(shí)不是一件容易的事情。我們來(lái)看一看雷電有什么樣的特點(diǎn),研究它又有怎樣的難度。
雷是如何引到地面的?
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一般來(lái)講,我們肉眼所看到的雷電只是一瞬間的放電現象,或者一道閃光而已。
這是我們用高速攝像機拍攝到的、從云打到地上的一次雷電放電過(guò)程,通過(guò)慢放可以看到它在空氣中蜿蜒爬行的放電通道。這個(gè)放電通道的發(fā)展速度有多快呢?是10的5次方米每秒的量級,也就是說(shuō)1秒鐘它能夠跑100公里甚至更遠的距離。
而當通道打到地上,產(chǎn)生的這種強烈的閃光實(shí)際也有速度,也有發(fā)展方向。它能達到1/3的光速,所以一般的高速攝像機甚至沒(méi)有辦法分辨這一過(guò)程。
自然發(fā)生的雷電其實(shí)是行蹤詭異、難以預測的。雖然我們知道雷電會(huì )發(fā)生在強對流的云系當中,但下一秒鐘它究竟會(huì )發(fā)生在哪里,是打到我們的電視塔?還是打到某個(gè)高聳的煙囪上?這是沒(méi)有辦法預測的,因此這種詭異的行蹤也給研究帶來(lái)了難度。
我們就會(huì )想,如果有辦法讓雷電在指定的時(shí)間和地點(diǎn)發(fā)生,這樣是不是就可以對它進(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),也是我所在的研究團隊近十幾年來(lái)一直在從事的研究工作。
怎樣去做人工引雷呢?首先需要有充了電的雷暴云。那當天空充滿(mǎn)了電荷以后,怎樣把它引下來(lái)?這就需要用到我們的引雷神器——也就是專(zhuān)業(yè)的引雷小火箭。
從圖片中,我們看到它的尾翼上固定著(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。但是,引雷火箭實(shí)際上只能飛到幾百米的高度,而雷暴云或者說(shuō)強對流云的電荷區一般在幾公里的高度以上,這個(gè)放電橋梁是怎么構建起來(lái)的呢?這要得益于火箭所在的位置,也就是說(shuō)細鋼絲尖端的位置發(fā)生了向上的尖端放電過(guò)程。這個(gè)放電形成了等離子通道,最終構建了云和大地之間的放電,雷就被引了下來(lái)。
2021年7月,我們在山東開(kāi)展了人工引雷實(shí)驗,大家注意看小火箭拖著(zhù)尾焰往上走的過(guò)程。當時(shí)小伙伴們也很興奮。大家可能覺(jué)得這個(gè)視頻非??犰?,但對我們來(lái)說(shuō),炫酷并不是重要的事情,真正的研究也才剛剛開(kāi)始。
為什么要人工引雷?
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雷引下來(lái)之后,我們要做什么呢?最重要的一件事情就是去探索雷電究竟是什么?雷電放電的參量、它產(chǎn)生的電磁輻射以及發(fā)生發(fā)展規律究竟如何?這一系列事關(guān)雷電物理本質(zhì)的基礎科學(xué)問(wèn)題,可以通過(guò)人工引雷回答。
這幅圖是雷電的電流測量波形,它就像是雷電的心跳頻率或者說(shuō)心臟的泵血量,是一個(gè)非常重要的參量。
我們還可以通過(guò)高速攝像機,捕捉和拍攝它在大氣中舞動(dòng)的曼妙身姿。
當然,對于高速相機沒(méi)有辦法捕捉的過(guò)程,我們還有其他神器,比如通過(guò)傳感器、利用射頻定位的辦法重構閃電放電的物理過(guò)程。就可以得到這幅重構的、非常漂亮的閃電發(fā)展圖像。
通過(guò)人工引雷,我們對雷電的物理過(guò)程、現象取得了一些新的認識。在這里簡(jiǎn)單地舉一個(gè)例子:它是怎樣發(fā)展和傳輸的。
這里涉及連續傳輸、梯級傳輸兩個(gè)名詞,我簡(jiǎn)單地介紹一下。連續傳輸比較好理解,它持續地往前發(fā)展放電通道;而梯級傳輸則是間歇性的停頓,往前跳一步、再停頓、再往前跳一步地發(fā)展放電通道。
一直以來(lái),我們都認為通道中聚集正離子的所謂正極性通道是連續傳輸的,而通道中聚集負電子的所謂負極性通道是梯級傳輸的。但是,后來(lái)少量的觀(guān)測證據對此提出了質(zhì)疑。
人工引雷可以很好地回答這個(gè)問(wèn)題,比如我們可以精確地獲得它放電的電流參量;我們也可以做不同距離、不同地方、不同頻段的電磁輻射探測;因為它發(fā)生的位置是已知的,我們也可以開(kāi)展更快、更高速的高速攝像。這就系統地回答了正極性通道實(shí)際上也客觀(guān)地存在著(zhù)梯級傳輸的特征。
說(shuō)到這里,大家可能覺(jué)得非??菰?,甚至有一點(diǎn)無(wú)聊,覺(jué)得把這些問(wèn)題搞清楚有什么意義?這個(gè)問(wèn)題跟我有什么關(guān)系?我一度也只能用“哪里存在未知,我們就要去解決它”來(lái)回答。直到后來(lái)我們發(fā)現,早期通道的梯級特征可以作為發(fā)生雷擊的一個(gè)先兆信號,預測雷擊會(huì )在很快的時(shí)間段內發(fā)生。
通過(guò)探測先兆信號,我們就有可能提前啟動(dòng)防御動(dòng)作,避免雷擊的傷害。這種技術(shù)已經(jīng)在研發(fā)和測試階段,特別希望在未來(lái)它能夠實(shí)實(shí)在在地對降低雷電災害發(fā)揮有用的效果。
除了對科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行探索和研究以外,人工引雷實(shí)際上還可以測試防雷技術(shù)。換句話(huà)說(shuō),我們的防雷技術(shù)到底有沒(méi)有用,可以通過(guò)引雷的辦法打一打來(lái)進(jìn)行檢驗。
在通訊行業(yè),通訊信號塔遭雷擊的問(wèn)題非常令人頭疼,于是就委托我們做人工引雷的實(shí)驗
當然問(wèn)題也來(lái)了。左圖是傳統人工引雷的設置,它是在地面進(jìn)行的,而這個(gè)實(shí)驗要把雷引到10層樓高的信號塔塔尖上。那我們是不是要把火箭平臺搬到塔頂上呢?那么狹小的空間顯然是不現實(shí)的。經(jīng)過(guò)一系列的論證和方案的提出,最終我們提出采用“拆橋”的思路,就是在傳統的方案中把“電”先斷掉。那怎么做呢?
就像圖中藍色虛線(xiàn)所代表的,我們接了一段絕緣的尼龍線(xiàn),這個(gè)地方的放電就會(huì )被切斷。那么這個(gè)電往哪里跑呢?它只能去找旁邊最高的一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行放電,就自然地打到了我們的信號塔上。
雷聲就是命令
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對于開(kāi)展人工引雷實(shí)驗,我想大家可能還有一個(gè)非常關(guān)心的問(wèn)題,那就是人工引雷是不是安全的。
我想在這里跟大家解釋一下,實(shí)際上我們做實(shí)驗還是比較安全的。前面介紹的引雷操作都在控制室內完成,我們也對控制室進(jìn)行了比較好的雷電防護,采用了比較周密的防護措施。通過(guò)提前監測和預測,室外的操作一般都會(huì )在雷雨到來(lái)之前準備完善,雷雨天氣的時(shí)候,我們就會(huì )回到安全的室內操作。
但是說(shuō)實(shí)話(huà),人工引雷實(shí)際上是一個(gè)與天謀食的事業(yè),所以也充滿(mǎn)了各種各樣的不確定性。比如在只下雨不打雷的天氣中,我們一般不開(kāi)展觀(guān)測。但是有一次遇上了這種天氣,下雨的強度突然變大了,隱約聽(tīng)到了微弱的雷聲。
對于我們來(lái)講,雷聲就是命令,所以我們只能馬不停蹄地趕往引雷場(chǎng)地,希望趕上最佳的引雷時(shí)機。由于當時(shí)的條件限制,我們只能采用步行的方式。走到一半雨勢變得非常猛烈,雷聲也從弱弱的悶雷變成了炸雷,就像在耳邊撕裂一樣,同時(shí)一道又一道的閃光也在我們的眼前出現。
大家可以想象,當時(shí)的場(chǎng)面應該是波瀾壯闊的,悲壯的感覺(jué)溢于眼前。如果真的要寫(xiě)一篇作文,我想那種隨時(shí)為科學(xué)獻身、舍生忘死的精神或豪情很容易就會(huì )被渲染出來(lái)。但是對我來(lái)講,是不是真的這樣呢?我不太樂(lè )意去這樣詮釋。
有人會(huì )問(wèn),那你拼了命、勇往直前的力量是從哪里來(lái)的呢?其實(shí)我想說(shuō),因為我們當時(shí)走到了一半,往前走和往后走的代價(jià)是一樣的。
這樣一個(gè)科研小故事,大家聽(tīng)了可能會(huì )會(huì )心一笑。但是對于我們來(lái)講,實(shí)際上還有另外一個(gè)解讀角度:那就是其實(shí)我們對于雷電、雷暴天氣的認識還遠遠不夠,如果我們能夠做得更好,對它進(jìn)行更好地監測和預測,這種半途遇險、騎虎難下的狀況就不會(huì )發(fā)生。在我們的科研工作當中,這種情況影響的可能是數據的獲取,但如果相似的情況發(fā)生在航天發(fā)射或者軍事活動(dòng)當中,后果將不堪設想。
所以說(shuō),對于雷電的研究還有很長(cháng)的路要走。我們希望摸清它的規律,了解它真正的習性。只有這樣,我們才能更好地操控它甚至利用它,讓它有用的方面為人類(lèi)服務(wù),盡量減小有危害的方面。也只有這樣,我們才能把“與雷電交朋友”的想法從愿望變成現實(shí)。
當然,這件事是比較困難的,有很大難度。但是我和我研究雷電的小伙伴們,會(huì )把這項目標當作畢生的追求。