雷暴云
引雷小火箭
(资料图片仅供参考)
雷公
雷神 Thor
人工引雷的论证和方案
广播、通信中断
■中国科学院科学文化讲坛格致论道第77期
■嘉宾：蒋如斌 中国科学院大气物理研究所研究员
■联合主办：中国科学院计算机网络信息中心、中国科学院科学传播局
说到雷电，大家应该都不陌生。它往往出现在狂风暴雨的恶劣天气中。一些仙侠主题的影视剧中，雷电经常会和“渡劫”联系在一起。在对世界末日、惊世浩劫之类场景的想象中，也常常伴以天雷滚滚的形象。这就在一定程度上表明了人们对于雷电的敬畏之心，也表明雷电的危害之大、威力之凶猛。
作为“引雷人”，今天就跟大家分享一下我与雷电打交道的故事和经历。概括地说， 自然发生的雷电，行踪诡异、难以预测；而人工引雷，就是让雷电在可知可控的条件下发生的技术。
可以把雷电比作为女娲造人提供了最为宝贵的泥团
在东西方的古神话当中，雷电往往也是神秘力量的代表。比如我国古代道教的雷祖九天应元雷声普化天尊，以及很多亚洲国家的雷公和电母，还有西方神话当中的雷神等。
人们对于雷电的敬畏和惊恐之心是非常自然的，因为它确实能给我们生活的各个方面带来严重的威胁，甚至会导致严重的人员伤亡。在雷电防护水平和公众防雷意识都比较低的印度，严重时可能一个月就有数百人因雷击而死亡。
实际上雷电的灾害不仅如此，2019年3月底，四川省凉山州发生了严重的森林火灾，32名消防战士在这场火灾中壮烈地牺牲，而这场火灾的罪魁祸首就是雷电。还有让我们特别心痛的2011年7·23特大铁路交通事故，列车追尾导致了一场触目惊心的灾难，这场灾难背后的原因，就是雷击导致了列车运行控制中心设备的严重故障。
此外，雷电还会引起输配电线路损毁，导致城乡大规模停电；它也会引燃化工原料，使化工厂、油库剧烈爆炸；它也会造成广播、通讯中断，甚至严重威胁航空航天活动以及国防活动的安全。
说到这里，在大家的心中，雷电可能已经被描绘成了一个无恶不作的“疯子”。雷电似乎天生就带着一种不可饶恕的“原罪”，但是和雷电打了十几年的交道之后，我总会试图向周围传达雷电实际上也有“性本善”的那些方面。
作为一种自然的物理过程，雷电的历史实际比地球上的生命更加久远。著名的米勒实验曾经模拟了早期地球的原始大气，把原始大气放到玻璃瓶里进行电击，取得了一些氨基酸和其他有机物小分子。科学家在当时推测，雷电可能在地球生命的起源过程中扮演了非常重要的角色。
最近的研究探索了雷击地球表面产生的闪电熔岩，发现其中含有大量的活性磷和有机磷酸盐分子。这类物质实际上对生命诞生非常重要，打个比方的话，我们可以把雷电比作为女娲造人提供了最为宝贵的泥团。
除了有用以外 雷电还可以说是一名“艺术家”
再把视角拉回到日常生活当中。我们知道，大气电离层在我们的头顶上方大概60公里，正是它对电波的反射，使得广播通讯的信号能够在很远的距离以外被接收到。但是研究发现，电离层实际上会源源不断地向地球“漏电”。大家可能就会担心，这电会不会漏光？如果这样，我们的广播通讯事业岂不会面临着瘫痪的危险？但实际上，雷电和强对流雷暴云会默默地给电离层“充电”，动态地维持着电离层和地球电路的平衡。
在击穿大气的过程中，雷电使得放电通道达到上万度的高温，可以使氮气、氧气被完全电离，从而形成我们所说的氮氧化物，进一步形成硝酸盐，而硝酸盐恰恰是农作物生长所需的养料。同时，由于雷电产生的氮氧化物会进入全球的氮循环，所以会对全球气候和环境变化起到一定的调节作用。
所以，在雷雨灌溉大地的同时，雷电也在起着固氮施肥的作用。可能大家会好奇，是不是能用雷电来发展绿色农业呢？就我个人而言，对这一点持比较保守的态度。
此外，雷电还可以帮助我们监测和预报强对流天气，比如短时的强降雨。这是为什么呢？因为雷电本身孕育在强对流天气系统的云系当中，蕴含了非常丰富的雨、雪、冰以及这种流场中风的信息。通过准确地探测雷电，并将相关信息整合到强对流天气系统的数值模拟预报中，就有可能改进它的预报效果。
除了有用以外，雷电还可以说是一名“艺术家”。长期以来，一般认为雷电只能发生在地面以上十几公里以内的对流层当中，而对流层以上到50公里的平流层，甚至平流层再往上的中间层大气，被认为是没有放电活动的。
实际上，发生在对流层的雷电活动会产生强烈的电磁辐射效应，电磁波会传到并影响几十公里甚至上百公里的高空，而在稀薄的大气中会产生尺度更大、更加绚丽多彩的放电现象。它们有着非常有意思的名字，比如红色精灵、巨大喷流、蓝色喷流等等。
用黑白相机拍摄到的红色精灵显示，它发生、发展、放电的详细过程，就像一朵在高空中绽放的烟花，特别漂亮和壮观。讲到这里，我真的特别希望雷电在大家心中会有一个全新的印象。在我眼里，雷电是非常壮美的，我认为这种壮美并不是所谓的“恶之花”。我倾向于认为，雷电所导致的错误、带来的灾害甚至苦难是无心而为的结果，我特别希望人类能够跟雷电成为和谐共处的朋友。
一系列事关雷电物理本质的基础科学问题
可以通过人工引雷回答
如何能够进一步地了解雷电、认识雷电、靠近雷电，这其实不是一件容易的事情。一般来讲，我们肉眼所看到的雷电只是一瞬间的放电现象，或者一道闪光而已。我们用高速摄像机拍摄到的、从云打到地上的一次雷电放电过程，通过慢放可以看到它在空气中蜿蜒爬行的放电通道。这个放电通道的发展速度有多快呢？是10的5次方米每秒的量级，也就是说1秒钟它能够跑100公里甚至更远的距离。而当通道打到地上，产生的这种强烈的闪光实际也有速度，也有发展方向。它能达到1/3的光速，所以一般的高速摄像机甚至没有办法分辨这一过程。
自然发生的雷电其实是行踪诡异、难以预测的。虽然我们知道雷电会发生在强对流的云系当中，但下一秒钟它究竟会发生在哪里，是打到我们的电视塔，还是打到某个高耸的烟囱上？这是没有办法预测的，因此这种诡异的行踪也给研究带来了难度。
我们就会想，如果有办法让雷电在指定的时间和地点发生，这样是不是就可以对它进行更好的研究？人工引雷，就是一项让雷电在可知可控的条件下发生的技术，也是我所在的研究团队近十几年来一直在从事的研究工作。
怎样去做人工引雷呢？首先需要有充了电的雷暴云。当天空充满了电荷以后，怎样把它引下来？这就需要用到我们的引雷神器——也就是专业的引雷小火箭。
引雷小火箭的尾翼上固定着线轴，线轴上盘绕着几百米长的细钢丝。钢丝的一端固定在地面上，随着火箭的上升，钢丝被快速地拉伸开，形成一条笔直的接地金属通道。但是，引雷火箭实际上只能飞到几百米的高度，而雷暴云或者说强对流云的电荷区一般在几公里的高度以上，这个放电桥梁是怎么构建起来的呢？这要得益于火箭所在的位置，也就是说细钢丝尖端的位置发生了向上的尖端放电过程。这个放电形成了等离子通道，最终构建了云和大地之间的放电，雷就被引了下来。
2021年7月，我们在山东开展了人工引雷实验，当时小伙伴们也很兴奋。大家可能觉得这个过程非常酷炫，但对我们来说，酷炫并不是重要的事情，真正的研究也才刚刚开始。
雷引下来之后，我们要做什么呢？最重要的一件事情就是去探索雷电究竟是什么？雷电放电的参量、它产生的电磁辐射以及发生发展规律究竟如何？这一系列事关雷电物理本质的基础科学问题，可以通过人工引雷回答。
采用“拆桥”的思路
把雷引到10层楼高的信号塔塔尖上
雷电的电流测量波形，就像是雷电的心跳频率或者说心脏的泵血量，是一个非常重要的参量。我们还可以通过高速摄像机，捕捉和拍摄它在大气中舞动的曼妙身姿。当然，对于高速相机没有办法捕捉的过程，我们还有其他神器，比如通过传感器、利用射频定位的办法重构闪电放电的物理过程，就可以得到一幅重构的、非常漂亮的闪电发展图像。
通过人工引雷，我们对雷电的物理过程、现象取得了一些新的认识。在这里简单地举一个例子：它是怎样发展和传输的。这里涉及连续传输、梯级传输两个名词，我简单地介绍一下。连续传输比较好理解，它持续地往前发展放电通道；而梯级传输则是间歇性的停顿，往前跳一步、再停顿、再往前跳一步地发展放电通道。
一直以来，我们都认为通道中聚集正离子的所谓正极性通道是连续传输的，而通道中聚集负电子的所谓负极性通道是梯级传输的。但是，后来少量的观测证据对此提出了质疑。
人工引雷可以很好地回答这个问题，比如我们可以精确地获得它放电的电流参量；我们也可以做不同距离、不同地方、不同频段的电磁辐射探测；因为它发生的位置是已知的，我们也可以开展更快、更高速的高速摄像，这就系统地回答了正极性通道实际上也客观地存在着梯级传输的特征。
说到这里，大家可能觉得非常枯燥，甚至有一点无聊，觉得把这些问题搞清楚有什么意义？这个问题跟我有什么关系？我一度也只能用“哪里存在未知，我们就要去解决它”来回答。直到后来我们发现，早期通道的梯级特征可以作为发生雷击的一个先兆信号，预测雷击会在很快的时间段内发生。
通过探测先兆信号，我们就有可能提前启动防御动作，避免雷击的伤害。这种技术已经在研发和测试阶段，特别希望在未来它能够实实在在地对降低雷电灾害发挥有用的效果。
除了对科学问题进行探索和研究以外，人工引雷实际上还可以测试防雷技术。换句话说，我们的防雷技术到底有没有用，可以通过引雷的办法打一打来进行检验。
在通讯行业，通讯信号塔遭雷击的问题非常令人头疼，于是就委托我们做人工引雷的实验。
当然问题也来了，传统人工引雷的设置，它是在地面进行的，而这个实验要把雷引到10层楼高的信号塔塔尖上，那我们是不是要把火箭平台搬到塔顶上呢？那么狭小的空间显然是不现实的。经过一系列的论证和方案的提出，最终我们提出采用“拆桥”的思路，就是在传统的方案中把“电”先断掉。我们接了一段绝缘的尼龙线，这个地方的放电就会被切断，那么这个电往哪里跑呢？它只能去找旁边最高的一个点进行放电，就自然地打到了我们的信号塔上。
人工引雷是与天谋食 雷声就是命令
对于开展人工引雷实验，我想大家可能还有一个非常关心的问题，那就是人工引雷是不是安全的。实际上我们做实验还是比较安全的，前面介绍的引雷操作都在控制室内完成，我们也对控制室进行了比较好的雷电防护，采用了比较周密的防护措施。通过提前监测和预测，室外的操作一般都会在雷雨到来之前准备完善，雷雨天气的时候，我们就会回到安全的室内操作。
但是说实话，人工引雷实际上是一个与天谋食的事业，所以也充满了各种各样的不确定性。比如在只下雨不打雷的天气中，我们一般不开展观测。但是有一次遇上了这种天气，下雨的强度突然变大了，隐约听到了微弱的雷声。
对于我们来讲，雷声就是命令，所以我们只能马不停蹄地赶往引雷场地，希望赶上最佳的引雷时机。由于当时的条件限制，我们只能采用步行的方式。走到一半雨势变得非常猛烈，雷声也从弱弱的闷雷变成了炸雷，就像在耳边撕裂一样，同时一道又一道的闪光也在我们的眼前出现。
大家可以想象，当时的场面应该是波澜壮阔的，悲壮的感觉溢于眼前。如果真的要写一篇作文，我想那种随时为科学献身、舍生忘死的精神或豪情很容易就会被渲染出来。但是对我来讲，是不是真的这样呢？我不太乐意去这样诠释。
有人会问，那你拼了命、勇往直前的力量是从哪里来的呢？其实我想说，因为我们当时走到了一半，往前走和往后走的代价是一样的。
这样一个科研小故事，大家听了可能会会心一笑。但是对于我们来讲，实际上还有另外一个解读角度：那就是其实我们对于雷电、雷暴天气的认识还远远不够，如果我们能够做得更好，对它进行更好的监测和预测，这种半途遇险、骑虎难下的状况就不会发生。在我们的科研工作当中，这种情况影响的可能是数据的获取，但如果相似的情况发生在航天发射或者军事活动当中，后果将不堪设想。
所以说，对于雷电的研究还有很长的路要走。我们希望摸清它的规律，了解它真正的习性。只有这样，我们才能更好地操控它甚至利用它，让它有用的方面为人类服务，尽量减小有危害的方面。也只有这样，我们才能把“与雷电交朋友”的想法从愿望变成现实。
当然，这件事是比较困难的，有很大难度。但是我和我研究雷电的小伙伴们，会把这项目标当作毕生的追求。
整理/本报记者 李喆
