自然發(fā)生的雷電

行蹤詭異、難以預(yù)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，來自于中國科學(xué)院大氣物理研究所。很高興今天有機(jī)會(huì)跟大家分享我與雷電打交道的故事和經(jīng)歷。

說到雷電，大家應(yīng)該都不陌生。就像這個(gè)畫面一樣，它往往出現(xiàn)在狂風(fēng)暴雨的惡劣天氣中。大家可能也都看過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?yàn)橄瘛半娊g”這樣的刑罰是人們所能想象的最大的一種痛苦了吧。在對(duì)世界末日、驚世浩劫之類場景的想象中，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(duì)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(yīng)元雷聲普化天尊（左）

雷公、電母（中）

雷神 Thor（右）

在東西方的古神話當(dāng)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，還有西方神話當(dāng)中的雷神等。

“無惡不作“的雷電

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人們對(duì)于雷電的敬畏和驚恐之心是非常自然的，因?yàn)樗_實(shí)能給我們生活的各個(gè)方面帶來嚴(yán)重的威脅，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡。在雷電防護(hù)水平和公眾防雷意識(shí)都比較低的印度，嚴(yán)重時(shí)可能1個(gè)月就有數(shù)百人因雷擊而死亡。

大家注意看這棵樹下的4個(gè)人，是不是覺得有一點(diǎn)嚇人？當(dāng)然，這個(gè)視頻也再次提醒我們：在雷雨天氣的時(shí)候，千萬千萬不要在大樹底下避雨。

雷電的災(zāi)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(yán)重的森林火災(zāi)，32名消防戰(zhàn)士在這場火災(zāi)中壯烈地犧牲。而這場火災(zāi)的罪魁禍?zhǔn)拙褪抢纂姟?/span>

還有讓我們特別心痛的2011年7·23特大鐵路交通事故，列車追尾導(dǎo)致了這場觸目驚心的災(zāi)難。這場災(zāi)難背后的原因，就是雷擊導(dǎo)致了列車運(yùn)行控制中心設(shè)備的嚴(yán)重故障。

此外，雷電還會(huì)引起輸配電線路損毀，導(dǎo)致城鄉(xiāng)大規(guī)模停電；它也會(huì)引燃化工原料，使化工廠、油庫劇烈爆炸；它也會(huì)造成廣播、通訊中斷，甚至嚴(yán)重威脅航空航天活動(dòng)以及國防活動(dòng)的安全。

說到這里，我想在大家的心中，雷電可能已經(jīng)被描繪成了一個(gè)無惡不作的“瘋子”。雷電似乎天生就帶著一種不可饒恕的“原罪”，但是和雷電打了十幾年的交道之后，我總會(huì)試圖向周圍傳達(dá)：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，覺得看到了一個(gè)虛偽的形象，也會(huì)有人說：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，其實(shí)并不是這樣的。接下來，我想帶大家一起去了解雷電那些不太一樣的側(cè)面。

米勒實(shí)驗(yàn)

作為一種自然的物理過程，雷電的歷史實(shí)際比地球上的生命更加久遠(yuǎn)。著名的米勒實(shí)驗(yàn)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(jī)物小分子?？茖W(xué)家在當(dāng)時(shí)推測，雷電可能在地球生命的起源過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(xiàn)其中含有大量的活性磷和有機(jī)磷酸鹽分子。這類物質(zhì)實(shí)際上對(duì)生命誕生非常重要，打個(gè)比方的話，我們可以把雷電比作為女媧造人提供了最為寶貴的泥團(tuán)。

再把視角拉回到日常生活當(dāng)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(duì)電波的反射，使得廣播通訊的信號(hào)能夠在很遠(yuǎn)的距離以外被接收到。

但是研究發(fā)現(xiàn)，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(dān)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)面臨著癱瘓的危險(xiǎn)？但實(shí)際上，雷電和強(qiáng)對(duì)流雷暴云會(huì)默默地給電離層“充電”，動(dòng)態(tài)地維持著電離層和地球電路的平衡。

此外，在擊穿大氣的過程中，雷電使得放電通道達(dá)到上萬度的高溫，可以使氮?dú)?、氧氣被完全電離，從而形成我們所說的氮氧化物，進(jìn)一步形成硝酸鹽，而硝酸鹽恰恰是農(nóng)作物生長所需的養(yǎng)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(duì)全球氣候和環(huán)境變化起到一定的調(diào)節(jié)作用。

所以，在雷雨灌溉大地的同時(shí)，雷電也在起著固氮施肥的作用?？赡艽蠹視?huì)好奇，是不是能用雷電來發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)呢？就我個(gè)人而言，對(duì)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(jiān)測和預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流天氣，比如短時(shí)的強(qiáng)降雨。這是為什么呢？因?yàn)槔纂姳旧碓杏趶?qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的云系當(dāng)中，蘊(yùn)含了非常豐富的雨、雪、冰以及這種流場中風(fēng)的信息。通過準(zhǔn)確地探測雷電，并將相關(guān)信息整合到強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的數(shù)值模擬預(yù)報(bào)中，就有可能改進(jìn)它的預(yù)報(bào)效果。

除了有用以外，雷電還可以說是一名“藝術(shù)家”。長期以來，一般認(rèn)為雷電只能發(fā)生在地面以上十幾公里以內(nèi)的對(duì)流層當(dāng)中，而對(duì)流層以上到50公里的平流層、甚至平流層再往上的中間層大氣，被認(rèn)為是沒有放電活動(dòng)的。

實(shí)際上，發(fā)生在對(duì)流層的雷電活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射效應(yīng)，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(xiàn)象。它們有著非常有意思的名字，比如紅色精靈、巨大噴流、藍(lán)色噴流等，就像圖中所展示的這樣。

我們來看一看用黑白相機(jī)拍攝到的紅色精靈。它發(fā)生、發(fā)展、放電的詳細(xì)過程，就像一朵在高空中綻放的煙花，特別漂亮和壯觀。

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(rèn)為這種壯美并不是所謂的“惡之花”。我傾向于認(rèn)為，雷電所導(dǎo)致的錯(cuò)誤、帶來的災(zāi)害甚至苦難是無心而為的結(jié)果，我特別希望人類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(rèn)識(shí)雷電、靠近雷電，但這其實(shí)不是一件容易的事情。我們來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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一般來講，我們?nèi)庋鬯吹降睦纂娭皇且凰查g的放電現(xiàn)象，或者一道閃光而已。

這是我們用高速攝像機(jī)拍攝到的、從云打到地上的一次雷電放電過程，通過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(jí)，也就是說1秒鐘它能夠跑100公里甚至更遠(yuǎn)的距離。

而當(dāng)通道打到地上，產(chǎn)生的這種強(qiáng)烈的閃光實(shí)際也有速度，也有發(fā)展方向。它能達(dá)到1/3的光速，所以一般的高速攝像機(jī)甚至沒有辦法分辨這一過程。

自然發(fā)生的雷電其實(shí)是行蹤詭異、難以預(yù)測的。雖然我們知道雷電會(huì)發(fā)生在強(qiáng)對(duì)流的云系當(dāng)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？這是沒有辦法預(yù)測的，因此這種詭異的行蹤也給研究帶來了難度。

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(duì)它進(jìn)行更好的研究？人工引雷，就是一項(xiàng)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(tuán)隊(duì)近十幾年來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(dāng)天空充滿了電荷以后，怎樣把它引下來？這就需要用到我們的引雷神器——也就是專業(yè)的引雷小火箭。

從圖片中，我們看到它的尾翼上固定著線軸，線軸上盤繞著幾百米長的細(xì)鋼絲。

鋼絲的一端固定在地面上，隨著火箭的上升，鋼絲被快速地拉伸開，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，而雷暴云或者說強(qiáng)對(duì)流云的電荷區(qū)一般在幾公里的高度以上，這個(gè)放電橋梁是怎么構(gòu)建起來的呢？這要得益于火箭所在的位置，也就是說細(xì)鋼絲尖端的位置發(fā)生了向上的尖端放電過程。這個(gè)放電形成了等離子通道，最終構(gòu)建了云和大地之間的放電，雷就被引了下來。

2021年7月，我們?cè)谏綎|開展了人工引雷實(shí)驗(yàn)，大家注意看小火箭拖著尾焰往上走的過程。當(dāng)時(shí)小伙伴們也很興奮。大家可能覺得這個(gè)視頻非?？犰?，但對(duì)我們來說，炫酷并不是重要的事情，真正的研究也才剛剛開始。

為什么要人工引雷？

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雷引下來之后，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(guī)律究竟如何？這一系列事關(guān)雷電物理本質(zhì)的基礎(chǔ)科學(xué)問題，可以通過人工引雷回答。

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心臟的泵血量，是一個(gè)非常重要的參量。

我們還可以通過高速攝像機(jī)，捕捉和拍攝它在大氣中舞動(dòng)的曼妙身姿。

當(dāng)然，對(duì)于高速相機(jī)沒有辦法捕捉的過程，我們還有其他神器，比如通過傳感器、利用射頻定位的辦法重構(gòu)閃電放電的物理過程。就可以得到這幅重構(gòu)的、非常漂亮的閃電發(fā)展圖像。

通過人工引雷，我們對(duì)雷電的物理過程、現(xiàn)象取得了一些新的認(rèn)識(shí)。在這里簡單地舉一個(gè)例子：它是怎樣發(fā)展和傳輸?shù)摹?/span>

這里涉及連續(xù)傳輸、梯級(jí)傳輸兩個(gè)名詞，我簡單地介紹一下。連續(xù)傳輸比較好理解，它持續(xù)地往前發(fā)展放電通道；而梯級(jí)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，我們都認(rèn)為通道中聚集正離子的所謂正極性通道是連續(xù)傳輸?shù)模ǖ乐芯奂?fù)電子的所謂負(fù)極性通道是梯級(jí)傳輸?shù)?。但是，后來少量的觀測證據(jù)對(duì)此提出了質(zhì)疑。

人工引雷可以很好地回答這個(gè)問題，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?yàn)樗l(fā)生的位置是已知的，我們也可以開展更快、更高速的高速攝像。這就系統(tǒng)地回答了正極性通道實(shí)際上也客觀地存在著梯級(jí)傳輸?shù)奶卣鳌?/span>

說到這里，大家可能覺得非常枯燥，甚至有一點(diǎn)無聊，覺得把這些問題搞清楚有什么意義？這個(gè)問題跟我有什么關(guān)系？我一度也只能用“哪里存在未知，我們就要去解決它”來回答。直到后來我們發(fā)現(xiàn)，早期通道的梯級(jí)特征可以作為發(fā)生雷擊的一個(gè)先兆信號(hào)，預(yù)測雷擊會(huì)在很快的時(shí)間段內(nèi)發(fā)生。

通過探測先兆信號(hào)，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，特別希望在未來它能夠?qū)崒?shí)在在地對(duì)降低雷電災(zāi)害發(fā)揮有用的效果。

除了對(duì)科學(xué)問題進(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)。換句話說，我們的防雷技術(shù)到底有沒有用，可以通過引雷的辦法打一打來進(jìn)行檢驗(yàn)。

在通訊行業(yè)，通訊信號(hào)塔遭雷擊的問題非常令人頭疼，于是就委托我們做人工引雷的實(shí)驗(yàn)

當(dāng)然問題也來了。左圖是傳統(tǒng)人工引雷的設(shè)置，它是在地面進(jìn)行的，而這個(gè)實(shí)驗(yàn)要把雷引到10層樓高的信號(hào)塔塔尖上。那我們是不是要把火箭平臺(tái)搬到塔頂上呢？那么狹小的空間顯然是不現(xiàn)實(shí)的。經(jīng)過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(tǒng)的方案中把“電”先斷掉。那怎么做呢？

就像圖中藍(lán)色虛線所代表的，我們接了一段絕緣的尼龍線，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(hào)塔上。

雷聲就是命令

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對(duì)于開展人工引雷實(shí)驗(yàn)，我想大家可能還有一個(gè)非常關(guān)心的問題，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(yàn)還是比較安全的。前面介紹的引雷操作都在控制室內(nèi)完成，我們也對(duì)控制室進(jìn)行了比較好的雷電防護(hù)，采用了比較周密的防護(hù)措施。通過提前監(jiān)測和預(yù)測，室外的操作一般都會(huì)在雷雨到來之前準(zhǔn)備完善，雷雨天氣的時(shí)候，我們就會(huì)回到安全的室內(nèi)操作。

但是說實(shí)話，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，我們一般不開展觀測。但是有一次遇上了這種天氣，下雨的強(qiáng)度突然變大了，隱約聽到了微弱的雷聲。

對(duì)于我們來講，雷聲就是命令，所以我們只能馬不停蹄地趕往引雷場地，希望趕上最佳的引雷時(shí)機(jī)。由于當(dāng)時(shí)的條件限制，我們只能采用步行的方式。走到一半雨勢(shì)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(xiàn)。

大家可以想象，當(dāng)時(shí)的場面應(yīng)該是波瀾壯闊的，悲壯的感覺溢于眼前。如果真的要寫一篇作文，我想那種隨時(shí)為科學(xué)獻(xiàn)身、舍生忘死的精神或豪情很容易就會(huì)被渲染出來。但是對(duì)我來講，是不是真的這樣呢？我不太樂意去這樣詮釋。

有人會(huì)問，那你拼了命、勇往直前的力量是從哪里來的呢？其實(shí)我想說，因?yàn)槲覀儺?dāng)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，大家聽了可能會(huì)會(huì)心一笑。但是對(duì)于我們來講，實(shí)際上還有另外一個(gè)解讀角度：那就是其實(shí)我們對(duì)于雷電、雷暴天氣的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如果我們能夠做得更好，對(duì)它進(jìn)行更好地監(jiān)測和預(yù)測，這種半途遇險(xiǎn)、騎虎難下的狀況就不會(huì)發(fā)生。在我們的科研工作當(dāng)中，這種情況影響的可能是數(shù)據(jù)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(dāng)中，后果將不堪設(shè)想。

所以說，對(duì)于雷電的研究還有很長的路要走。我們希望摸清它的規(guī)律，了解它真正的習(xí)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(xiàn)實(shí)。

當(dāng)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(xiàng)目標(biāo)當(dāng)作畢生的追求。