新聞背景

       近日，一個小視頻在網上流傳：在轟隆隆的雷聲中，一道道雷電被直直地引向地面，放射出耀眼的光芒。這一場面令人驚奇，并引發網友熱議。其實，這是中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室和中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所在中國氣象局雷電野外科學試驗基地聯合開展的人工引雷試驗。

       盡管人們很熟悉電閃雷鳴，越來越多的公共場所也都有避雷設施，但是對于人工引雷未必了解。而看似酷炫的人工引雷背后卻有諸多玄機。

       自然閃電常常是指雷暴云內、云間或者云與地之間自然發生的強烈放電現象。雷暴云與地面之間的放電稱為云地閃或地閃，頗為鮮明的特征是擊中地面或地上的物體；未擊中地面或地上的物體的閃電則統稱為云閃。由于持續的時間很短，絕大多數自然閃電不超過 1 秒鐘，且發生時間和位置具有較強隨機性和不確定性。

      “人工引發的云地間的放電過程即是人工觸發閃電，一般通過人工引雷試驗實現?！敝袊鴼庀罂茖W研究院災害天氣國家重點實驗室副主任、雷電團隊首席研究員呂偉濤解釋，準確地說，目前科學家和媒體提及的人工引雷是一種科學試驗。

       由于自然閃電具有高電壓、大電流、強電磁輻射、長空間尺度等特征，科學家要在實驗室進行準確模擬尚十分困難；與此同時，自然閃電發生的隨機性強，近距離開展雷電綜合觀測也頗為困難，特別是自然閃電電流更是難以直接獲取。

     “當前，人工觸發閃電是能夠較為真實地模擬自然閃電的唯一手段，需要開展人工引雷試驗來實現?！眳蝹J為，當引雷試驗場上方有雷暴云經過的時候，在合適條件下，通過向上發射尾部拖曳金屬導線的引雷火箭，快速上升的火箭會促使放電通道起始并向上發展入云，最終形成云和地之間強烈的放電現象。

       據介紹，人工觸發閃電的特點是閃電發生位置確定、發生時間可預知、便于近距離測量，所產生的強電磁環境與自然地閃后續回擊沒有差異，并且可以實現閃電通道底部電流的直接測量，可獲取其電流、近距離電磁場等關鍵數據。

       因此，人工引雷是研究雷電放電過程、雷擊效應及測試雷電探測設備、雷電防護技術和器件的重要手段；可以基于此開展很多科學試驗，包括雷擊過程及其機理的研究、新型雷電探測技術的研發與測試以及雷電防護技術的測試等。

       從旁觀者的角度看，人工引雷看著簡單，只要“放一支箭”就可以。

       然而，在科學家眼里，人工引雷是復雜而困難的，需要特殊的場地，需要技術精湛的科研團隊且能嚴格地按照防護規程操作，需要找準時機。

       人工引雷試驗場地自然要在雷電多發地帶?！拔覀兊脑囼瀳龅卦趶V州從化，位于華南區域，屬于雷暴多發地區。這種‘先天優勢’能夠為開展人工引雷試驗提供非常好的自然條件?！眳蝹忉?。從事人工引雷的科學家也不簡單，須有多年的積累和豐富的經驗。呂偉濤及其所在的科研團隊已從事這項工作達十余年，每年他們都有近三分之一的時間在野外開展雷電觀測試驗。 

       雷電外場試驗是與電壓非常高、電流非常大、電磁輻射非常強的觀測對象打交道，試驗人員的安全始終要被放在首位。因此，人工引雷必須采取嚴格的安全措施。在發射火箭引雷時，所有試驗人員必須待在一個牢固可靠、有良好的屏蔽和接地的金屬方艙內，即“法拉第籠”。這個金屬方艙，即使被雷擊中，里面的試驗人員也是安全的。在整個試驗過程中，所有試驗人員都必須嚴格遵守規章制度和操作規范。同時，試驗人員要準確獲取觀測數據，每個環節都來不得半點兒馬虎。

       人工引雷火箭拖著一條細細的鋼絲，鋼絲需要有足夠的抗拉強度，要細、要輕，以減輕火箭的負荷?；鸺l射后上升的速度也是決定能否成功引雷的關鍵?；鸺陌l射速度太快，容易將鋼絲拉斷而導致引雷失??；火箭太慢，不利于火箭沖破其尖端電暈放電產生的屏蔽層，同樣難以引發雷電。人們也曾提出過其它幾種方案，例如高壓水柱引雷法、激光束引雷法、氣球引雷法等。但是，目前尚沒有使用這些方法引雷成功的記錄或報道。

     “成功引雷的關鍵是準確估測空中電場強度?！眳蝹f，可發生放電的電場強度一般為每米百千伏量級?，F有觀測手段不能直接探測云中電荷和空中電場分布情況，試驗人員只能通過測量地面大氣電場推測空中電場強度及其變化趨勢。

       然而，地面電場受設備架設條件、周圍雷暴環境、地形、降水等多種因素影響，試驗人員據此無法準確估測空中電場強度。引雷試驗會綜合考慮氣象探測資料（如雷達回波）和地面電場變化，結合理論知識以及經驗進行推測，其中存在較大不確定性。

       此外，人工觸發閃電的成功率與試驗期間雷暴條件、觸發方式、火箭質量、導線拖放情況也有關系。整體而言，引雷能否成功是多個因素綜合的結果。比如，火箭發射是否正常、發射時機是否得當、發射過程中有無自然閃電等。把握好人工引雷時機，需要準確的觀測、扎實的理論基礎和豐富的實踐經驗相結合。

     “并非每次人工引雷都能成功?！眳蝹硎?，世界上有多個國家曾開展或仍在開展人工引雷試驗。國內外人工引雷試驗成功率大多在 30%-40%，隨著探測手段的豐富完善和科學家經驗的不斷積累，人工引雷的成功率會有所提升。中國氣象局雷電野外科學試驗基地近幾年引雷的成功率達到了 60%以上。截至目前，這個雷電基地已連續 14 年開展人工引雷試驗，成功引發 189 次閃電，極大地豐富了雷電物理、防護、探測等理論、技術研究所需的第一手觀測資料。

       不少人都很好奇，能不能把雷電釋放的能量收集起來呢？雷電出沒動靜很大，給人的感覺是能量超強。一次典型的地閃釋放的能量大約為 109 至 1010 焦耳，5 個 100 瓦的燈泡亮 1 個月消耗的能量大約為 1.3×109 焦耳（360 度電），所以一次雷電釋放的能量并沒有想象中那樣大。但由于雷電放電具有很強的瞬時性，其能量往往在非常短的時間內被釋放。因此，雷電瞬時功率非常強，目前還沒有合適的能量儲存器能經得起雷擊的考驗。另外，雷電出現時間和地點存在很大隨機性，在一個固定地點發生的雷擊很有限，即使對于幾百米的高層建筑，每年被雷擊中的概率也就幾十次，因此收集雷電的能量并沒那么容易。

       盡管人工引下的雷電的能量不易儲存和應用，但是通過人工引雷可以為我國雷電監測、預警預報和防護技術研究與開發提供必要的基礎平臺，為防御雷電災害業務的發展提供更加科學的技術支撐，以提高我國雷電災害防御能力。

       鴻昇興防雷：傳統的避雷系統是由避雷針、避雷帶、引下線、接地體等構成的，但隨著新型避雷裝置的研究，需要進行更加實際的雷擊試驗。有科學家指出，人工引雷提供了最接近真實的自然雷電模擬源，不但可以用于雷電物理研究，還能對雷電防護裝置的性能進行綜合試驗和評估，有力推動雷電防護技術的創新研發和應用。