追蹤雷電的軌跡

雷電是大氣中最神秘也最強大的現象之一，利用火箭研究天然雷電的特性，以便進一步對其施加影響和利用，減少氣象災害，是大氣科學家長期以來的一個夢想。

山東濱州，人跡罕至的棉花地，零零落落的簡陋平房里，中科院工作人員正在檢查設備。這天是2008 年6 月29 日，1 個小時后，雷公如約出現，工作人員想搶在他揮動雷神之錘，發出可怕的炫目亮光之前，用專用引雷火箭在天地間觸發大氣放電現象，也就是我們所說的閃電。

眾所周知，對雷電的研究最早能追溯到1752 年6 月，本杰明#8226;富蘭克林在費城完成了著名的“風箏實驗”，從實驗知道了雷暴云帶有電荷。隨后，許多科學家投身到雷電研究中，發展出一整套雷電觀測、研究、防范的科學體系。在“風箏實驗”過去200 多年后，整個科學界對于雷電的基本物理過程有了一定認識，但有些問題仍未解決，對防雷產品的檢測大多也僅停留在實驗室模擬雷電場景階段。

“一方面，直擊雷電災害的防護工作與以前相比未有本質上的提高，而另一方面，隨著微電子設備的迅速發展，雷電帶來的災害卻在不斷升級，雷電造成的人員傷亡已使其成為中國僅次于暴雨洪澇、氣象地質災害之后名列第三的氣象災害，中國每年因雷電造成的經濟損失高達億元以上。如果能把雷電引到地面，深入研究雷電物理機理和雷害形成的機理，就能對其進行較好的防護，從而減小損失”，中科院大氣物理研究所的郄秀書研究員說。

把雷電引到地面，目前通用的方法是火箭引雷，就是在適宜的雷爆條件下，通過一枚小型火箭將雷電人為地引到地面。過去人們很難對雷電進行直接測量，因為不知道它會打到什么地方。火箭引雷卻能把雷引到預先設定的地點，以便集中現代化設備對雷電進行觀測、研究，使本來隨機發生的雷電在可控狀態下進行，從而獲得近距離研究雷電的機會。

捕捉雷電的地方

火箭和雷電第一次親密接觸由法國人促成，中國則開始于1974 年。這年原蘭州高原大氣物理研究所用防雹用土火箭，進行了人工引雷的嘗試。目前，僅有法國、美國、中國、日本和巴西擁有這項技術。自2005年起，中國科學院火箭引雷實驗小組開始在山東濱州地區開展實驗。

濱州的這片棉花地里的簡陋平房是實驗人員的宿舍，距離宿舍直線距離1000 米的地方有一個小小的鐵皮房子，它實際上是一個“法拉第籠”，籠內安裝有雷電流測量設備。法拉第籠旁邊70 米處是火箭引雷的控制室。控制室很簡單，一張桌子，上面擺滿了各種設備，分別是大氣平均電場儀控制盒、光纖發射機、快慢天線電場變化儀控制盒和記錄雷電數據的電腦和示波器等。它們都連著很長的線，光纖連接到火箭發射架上的光纖接收機，來控制火箭的發射，電纜線連接到電場探測設備的室外探頭，用來傳輸雷電產生的電場變化信號。

法拉第籠，從物理學上講，是一個密封的金屬腔體，它是最早由英國物理學家法拉第根據靜電平衡原理利用金屬空腔隔離靜電場影響所采用的一種結構。1876 年， 法拉第的學生麥克斯維提出將法拉第籠結構用于雷電防護，以減小雷擊所造成的損失。

中國資深防雷專家王時煦教授在負責 1958 年人民大會堂工程的電氣和防雷設計中率先采用了法拉第籠結構，將人民大會堂工程結構中的梁、板、柱以及基礎內的所有鋼筋全部焊成一體。這樣，當有空腔的導體放入電場中時，導體中的電子會在外電場作用下發生移動，最后達到靜電平衡——電子不再定向移動。此時金屬空腔的內表面上處處沒有電荷，電荷只能分布在腔體的外表面。由電場唯一性定理，腔內沒有電場，電位處處相等，整個腔體是個等位體。這樣一來，整幢建筑物實現了等電位連接，空腔導體隔離了外電場的作用，使外電場不能透入空腔內部，從而達到防雷的目的。

現在，法拉第籠已成為火箭引雷實驗的標配。籠內所配的電流測量設備有同軸分流器和Rogowski 線圈，籠外頂部是5 米長的引流桿，雷電最終會引向這里。在法拉第籠旁邊是火箭發射架，發射架上裝有引雷專用火箭。這是最新的型號，2008 年由中科院大氣物理所與陜西中天火箭公司合作研制，全稱為“人工引雷專用火箭YL-1”。這種火箭全用復合材料制成，分傘倉、開傘裝置、鋼絲繩、發動機和尾翼幾個部分。它具有空中拋傘和放線功能，放出的0.2 毫米鋼絲繩能有數百米長，為了增加導線的機械強度及耐火強度，有的導線外面還包上一層尼龍，導線末端和引流桿相連。

工作人員仔細地檢查了各條線路，檢查完畢后，他們回到控制室，等待雷神的到來。“引雷也算是靠天吃飯，閃電不來，一點辦法都沒有，”參加引雷實驗的現場科研人員介紹說。兩個小時后，雷神沒有如期而至，他們回到宿舍休息。

凌晨兩點，電話突然響起，是山東省氣象局打來的，雷暴馬上要來了。電腦液晶顯示屏幕上，只見一個巨大的云團如變形蟲一樣，迅速地挪向濱州地區。

大家迅速套上雨鞋雨衣再次奔向控制室。這時，外面狂風大作，風中無形的氣流煩躁地上下翻滾，很快就大雨瓢潑。一個踉蹌，雨鞋陷入濕軟的土地，一個工作人員摔倒在地上，他趕緊用手將雨鞋從泥地中拔出，套在腳上，正當他要繼續前行時，一個閃電咣當打在離他不遠的地面。管不了那么多，大家匆匆忙忙往控制室奔。宿舍和控制室的直線距離很近，但要繞過濕軟的棉花地，天氣又惡劣，往往到了控制室，鞋子里全是雨水，冰冷冰冷的。10 分鐘后，工作人員全體到達控制室。

當火箭引雷入地

工作人員手持對講機，眼睛瞪著液晶屏上記錄的曲線，時不時用余光看看外面的棉花，另一只手則放在激光發射機的小紅點上，準備隨時按下按鈕。這些曲線來自“大氣平均電場儀”，用于監測雷暴產生的電場變化。雷電發生前，云層中的電場將會影響地面的電場。不一會兒，屏幕上的曲線開始眼花繚亂起來。“根據地面上的電場強度，可以大概推斷云層中的電場強度，以確定引雷時間。”工作人員解釋說。

外面的風不斷掃過棉花地，閃電也綿延不絕。“這不是引雷的好時機，雖然雷暴已當頂，但風太大，閃電太密集。”工作人員解釋說，風太大容易把火箭吹跑，而閃電太密集也不好，容易在火箭上升的過程中發生自然擊穿。

什么是自然擊穿呢?佛羅里達理工學院的約瑟夫#8226;杜艾爾曾打過一個比喻:可以想像一個三明治，地球和地球大氣上方的電離層是兩片導電性極好的面包片，而中間的地球大氣卻是良好的絕緣體。大地帶負電荷，而電離層則帶正電荷，兩者間的電壓相差約有30 萬伏。在雷雨云中，上升氣流和下降氣流導致水分子相互碰撞，雨滴就會帶上電荷，然后雷暴云會形成不同極性的電荷區。當這些電荷積蓄到一定數量和強度時，就會發生擊穿放電。杜艾爾雖然用了很好理解的比喻解釋閃電的形成過程，但他本人并不認同這種說法，因為多年以來，研究人員還是沒能觀測到足夠強大、可以導致閃電釋放的電場的存在。

30 分鐘后，風小了很多，起碼棉花沒搖晃得那么厲害，閃電也消停了些。依據大氣平均電場儀參數判斷，該是出手的時候了。“引雷時機目前并沒有一個定量化的標準，具體什么時候發射火箭，除了電場儀給出的數據外，在一定程度上還要靠經驗。” 工作人員毫不猶豫地按下激光發射機上的紅色按鈕，幾乎在同一時間，發射場的火箭拖著長長的導線，以每秒200 米的速度沖向濃密的烏云，在雷暴云和地面之間形成了一個天地通道。火箭在雷暴電場下上升，如果雷暴云帶負電荷的話，由于靜電感應，火箭頭部帶正電荷，導線一端帶負電荷，引流桿頂端則會帶正電荷。火箭離雷暴云越近，感應的電荷越多，電壓差達到一定程度時，“啪”一聲，閃電順著火箭上的鋼絲猛扎到地面。引雷成功。火箭殘骸則隨降落傘緩緩落到地面。

乍一看這個工作沒什么太大的難度，不過是發射一枚小火箭而已，但有太多的因素影響引雷的成功。追蹤雷電不像去迪斯尼看米老鼠，去了就能看到。大自然也需要喘息，不知道哪里確切能有閃電。除了靠天吃飯，火箭發射速度也很關鍵，因為太快會把導線拉斷，引雷就難以成功;太慢不能沖破火箭頭部的屏蔽電荷層，同樣無法引雷落地。

雷電中的信息

當年，富蘭克林在進行風箏實驗的同時，還使用原始的蓄電池萊頓瓶做了一系列動物試驗。這些試驗包括:要用多少個小萊頓瓶才能電死一只雞?如果換成火雞，需要多大的萊頓瓶?為什么被電死的火雞嘗起來味道比用一般方法殺死的火雞美味?據說富蘭克林敢于冒險進行風箏實驗的動力，就是為了給他的萊頓瓶充電。現在，很多人也有這樣的幻想，通過火箭引雷蓄電。

地球上每天會有800 萬次雷電。一次閃電， 云和大地間的電壓可達1 億伏，電流強度可達10 萬安培，閃電的長度可達1 萬米，電火花的長度也只有十幾厘米，閃電的功率可達100 億千瓦，是我國葛洲壩水電站發電功率的幾千倍。雷電的確是一種強大的能源，能不能把這些能量安全地“引導”到地面上來，然后使本來隨機發生的自然雷電，在人工可控的狀態下服務于人類?

“想法很好，但需要走的路還很遠。閃電的持續時間很短，一般就是一秒左右，就一次閃電而言，總的能量并不很多。要知道，收集雷電的電能并不像放個水盆接水那么簡單。我們并不知道它發生的時間和位置，怎么有效的收集?風能有大氣的環流系統支撐，知道大的趨勢，雷電不能。”工作人員說。

除此以外，有報道稱“北京延慶縣許家營的一次人工引雷試驗后，玉米地結出的玉米產量高于其他地塊四倍以上。”記者查看了原始文章，文章作者意思是說在“收獲時發現閃電擊地點及閃電主分流電流通路附近的大田玉米單株雙穗率和雄花結穗率比對照地段高出4 倍和2.8 倍”。而在山東引雷實驗期間，雷電擊中的地方，由于電流入地后的徑向流動，半個月后，發現雷電擊地點附近的棉花都死掉了。雷電對農業的作用究竟怎樣，看來還需更廣泛深入的研究。

如此說來，火箭引雷目前最重要的目的還是更好地研究雷電的物理機理和電磁輻射效應，積累原始數據。

另外，可以用火箭引雷對雷電防護設備和技術進行效果檢驗。記者打電話至普天中普防雷公司，詢問避雷針是否通過測試，客服給出的答案是避雷針都沒有測試，也沒法測試。沒有測試如何保證品質?

工作人員說，在工程應用上，除了能檢驗防雷產品的優劣，火箭引雷還能檢驗雷電定位網的探測效率和定位誤差。雷電定位網實時監測雷電發生的位置和時間，對于雷電引起的輸電線路故障和森林火災位置的判斷非常有用。但是雷電定位網確定的閃電位置是否準確，可以用火箭引雷來檢驗。國外在這方面已經做了很多工作，國內類似的工作目前還很少。“這些工作正是我們正要著手去做的。”