人工引发雷电技术的发展及应用[节选]

通天雷神

人工引发雷电技术的发展及应用

　　
人工引发雷电是在适宜的雷暴条件下将雷电人为地引发到地面（目前广泛采用的是火箭拖带细金属导线的方法），这就可以使本来随机发生的自然雷电在时间和空间可控状态下进行，便于集中各种先进的测量手段在很近距离内对雷电电流、电磁辐射及光学特性等进行同步观测研究，为雷电物理、雷电监测及防护等问题的研究开辟了一条新途径。自1989年我们首次采用专用引雷火箭引雷成功以来，先后在甘肃永登、平凉、北京延庆、江西南昌、上海南汇以及广东从化等地区都进行了人工引雷实验，共成功引雷30余次，对人工雷电的电磁及光学特性进行了深入研究［32～35］，并在以下几方面取得了重要成果。
　　
4.1　发展并完善了人工引发雷电技术
　　
先后解决了火箭安全抛伞、轨道稳定性、安全型压力开关气动点火装置及拖带导线等关键技术问题。目前人工引雷技术作为核爆电磁脉冲模拟源（NEMP）已成功地应用于国防建设中。1996年起又成功地发展了导线不接地的空中引雷技术［36］，可以更真实地模拟自然雷电的下行先导及回击过程，为雷电危害机理及防护研究开辟了一条新途径［37］。
　　
4.2　不同雷暴电结构下人工引发雷电特征
　　
由于我国南、北方雷暴电结构的差异，人工引发雷电的放电特征也有很大不同。北方地区（甘肃和北京）雷暴云由于下部经常存在大范围正电荷区，人工引发雷电一般是没有回击的短暂的连续电流放电过程，其持续时间约为数十毫秒，峰值电流不超过1～2 kA；与此相反，南方地区（南昌、上海、广东）雷暴云下部是负电荷为主，人工引发雷电一般包括多个回击，持续时间一般为数百毫秒，甚至超过1.5 s，峰值电流达10 kA以上［38,39］。尽管由于北方雷暴云独特的电结构特征，很难得到强烈的人工引发雷电，但它却提供了一个研究正极性雷电激发放电机理的良好机会。我们与日本学者合作，开展了中国内陆高原雷电的综合观测研究，利用人工引雷技术，并采用了雷达、雷电定位系统及电磁、光学等多种测量手段，取得了良好的结果［40］。
　　
掌握人工雷电的触发条件是提高触发成功率的关键，一般都是根据地面平均电场测量加上经验判断来确定引雷火箭的点火时机。由于地面电晕离子的屏蔽作用，地面电场不能完全反映雷暴云及云下空间的电场分布，使触发时机掌握有较大盲目性。我们进行了人工引雷的数值模拟实验，研究了云中电荷结构对触发高度及成功引雷空间范围的影响［41］；同时根据地面电晕离子产生和演化的数值模式［23］，对人工引雷成功及失败的个例进行空间电场的计算结果比较［42～44］。人工引发雷电成功的重要条件是火箭—导线系统顶端能处于强环境电场中以满足上行流光的产生和自持传输要求，如以500 m高度上的电场为参考来决定火箭的发射时刻，则北方雷暴大于50 kV/m、南方雷暴大于25 kV/m时，触发成功率几乎为百分之百。
　　
4.3　人工引发雷电的光学特性
　　
通过静态摄影得到人工雷电的壮观光学图像，在适宜的条件下还展现出雷电的多次回击过程及发光特征［45］。利用具有90年代先进水平的高速数值化摄像系统（1000F/s），首次在极近的距离对人工引发雷电过程发光特征和闪道的形态变化进行量化观测研究［46,47］。结果表明，亮度变化与闪电电流和地面电场变化有很好的对应关系，还揭示了M分量的物理特性、先导接地行为以及闪电通道发展及分枝出现的物理图像等［48］。
　　
4.4　人工引发雷电的放电过程及先导的双向传输
　　
人工引发雷电提供了一个利用多种先进的仪器对雷电放电参数进行综合同步测量的极好机会，使我们能首次以微秒、亚微秒的时间分辨率得到雷电电流及雷电电磁场变化等的资料［40,49,50］。通过对高速摄像、闪道电流和地面电场变化的资料分析，证实了空中引发雷电时先导的双向传输现象［40,51］。正先导的始发一般超前于负先导，下行先导接地瞬间会产生类似于回击的快速高电流脉冲。由于自然雷电很难在很近的距离内进行综合同步测量，尽管有学者很早就提出了双向先导的概念［52］，但迄今尚未有足够的证据证明自然雷电中有先导同时双向传输现象的存在。
　　
4.5　雷暴天气过程的人工影响
　　
对流性风暴天气过程的人工影响（防雹及增雨）大多采用播撒碘化银或干冰等催化剂的传统方法。我们的人工引雷实验表明，在一定的条件下它有可能成为人工影响天气过程的有效手段［53,54］。人工引发雷电对雷暴电场和降水有明显影响，一般会出现降雨猛增和滴谱增宽现象。利用静电模式的模拟计算也表明，由于闪电通道向外大量释放离子，增强了闪电通道附近雨滴重力电碰并过程［55,56］，对冰雹云进行人工引雷后有冰雹消减、降水增加的作用。数值实验也表明，闪电放电对雨滴增长也有明显的作用［57,58］。
　　
4.6　人工引发雷电的生物效应
　　
人工引发雷电击地点附近产生很强的瞬变电磁场变化，可能对作物或其种子产生变异影响［59,60］，进一步探明人工引发雷电导致植物突变的机理，将人工引雷实验变为植物育种的物理因素，以选育多种有实用价值的新品种是值得进一步研究的课题。
　　
为了更好地进行上述内容研究，我们还发展了多种雷电参数测量技术［61～67］。此外，还对防雷机理进行了初步分析研究［68,69］。