“雷車動地電火明，急雨遂作盆盎傾。”陸游的詩句反映了人們自古以來對雷電現象的好奇與想象。對於雷電的認識、防護甚至未來的利用，至今仍是科學研究中的重要問題，而人工引雷則是解決這些問題的一個重要方法。

中國科學院大氣物理研究所的雷電研究團隊日前在海南省成功開展了人工引雷實驗。今天，我們約請團隊專家蔣如斌、劉冬霞等人聊聊有關人工引雷的科學問題。

中科院大氣物理研究所人工引雷團隊於2021年7月13日在山東濱州成功進行的人工引雷實驗

人工引雷地面裝置

人工引雷從用“風箏”到靠“火箭”

人工引雷，聽上去是一件很炫很神秘的事情，但從某種意義上可以說，人類最早對雷電的科學認識就來自於人工引雷。

我們熟知的18世紀科學家富蘭克林所做的風箏實驗，讓人類第一次認識到，天上的雷電和地上的電流具有完全相同的性質。而本傑明·富蘭克林正是透過金屬絲拴的風箏，把天上的雷電引入萊頓瓶中，並透過各種電學實驗，證明天上的雷電與人工摩擦產生的電具有完全相同的性質。可以說，這就是最早的人工引雷。

大規模的人工引雷實驗開始於20世紀60年代。紐曼和布魯克兩位科學家最早提出了人工引雷的可能性——若將導線快速引入一定強度的電場中，就會產生放電現象。1967年，紐曼利用火箭拖帶導線在美國成功實施了人工引雷。之後，法國、中國、日本、巴西等國家也相繼引雷成功。

中國的人工引雷實驗始於20世紀70年代，中科院原蘭州高原大氣物理研究所於1977年首次利用土火箭人工引發雷電成功，1989年利用專用引雷火箭引雷成功，2005年第一次測到了微秒量級時間解析度的回擊電流波形，2008年成功研製了擁有自主智慧財產權的新一代人工引雷火箭系統。依託引雷實驗，我國開展了多項科學性與應用性研究。可以說，凝聚了幾代“雷電人”努力與探索的引雷火箭，為雷電科學事業的發展做出了舉足輕重的貢獻。

為什麼要做人工引雷實驗

從氣象科學上來說，雷電（閃電）是強對流過程的特徵性天氣現象，雖然只發生在瞬間，卻伴隨著奪目的閃光、轟鳴的雷聲，雷電現象不僅有可能干擾通訊、電子系統，造成電力系統中斷損壞，還會造成牲畜、人員傷亡，甚至會干擾鐵路交通的正常執行，威脅空中飛行器安全，更嚴重的雷擊災害還包括森林火災、油庫大火、化工廠爆炸。

想要減弱並防止雷電帶來的災害，就必須對它進行深入的科學研究，充分理解雷電的產生機制和致災機理。然而，考慮到自然閃電發生速度快，時間短，且位置隨機性極強的特點，對它進行研究具有很大的困難。相較於自然閃電，人工引發雷電的發生時間和發生位置都處於實驗的控制之下，便於實施科學觀測和應用測試，這樣一來，對於雷電發生發展機制的探索和對於雷電防護技術的研發就擁有了有力的手段。

人工引雷試驗不僅為認識閃電發生、發展的物理本質提供了良好條件，而且為雷電防護的測試與評估提供了試驗無法模擬的真實雷擊。開展人工引雷實驗能夠進行雷電放電的物理過程機理和電磁輻射效應研究。具體而言，可以進行雷電物理引數測量，比如進行自然雷電當中難以實現的雷電放電電流測量、近距離乃至極近距離電磁場測量、閃電產生高能輻射的測量以及透過多種測量手段揭示以前沒有認識或者認識較為模糊的雷電放電新現象，釐清雷電的形成機理、發展傳輸特徵。

人工引雷可定量開展雷擊致災機理研究和真實雷擊條件下的雷擊防護測試。以往，雷擊防護裝置的有效性測試主要透過實驗室模擬放電來實現，但實驗室的雷擊測試很難同時構建自然雷電“高壓”“大電流”特徵，與真實雷擊環境是有差別的。人工引雷除了不能再現自然雷電的首次回擊以外，其他放電過程與自然雷電是幾乎相同的，即構建了自然雷暴天氣條件下的真實雷擊。由於位置已知，所以可以開展雷擊致災關鍵參量的測量並針對雷擊防護裝置或系統進行測試評估，比如為防雷技術方案的完善提供重要資料，特別是通訊、電力、化工等行業的雷擊敏感設施防護。

人工引雷實驗是怎樣進行的

自然閃電通常發生在雷暴雲，即具有一定起電和雷電活動的對流活動旺盛的雲中，這也是開展人工引雷作業的必要條件。通俗地講，人工引雷就是把即將發生的自然雷電，提前幾十到幾百毫秒人為誘發到指定位置，使其在指定的時間和指定的地點發生。

引雷的最好時機是自然雷電即將發生但尚未發生之時，引雷作業需要根據強對流天氣實況、地面大氣電場、自然雷電發生頻率等資訊，判斷頭頂雷暴雲的起電狀況，確定發射引雷火箭的時機，一般要求雷暴雲的對流比較旺盛、起電相對劇烈。

除了對引雷機會的把握，小小的引雷火箭也大有玄機。引雷火箭包含火箭本身和火箭後端的一個纏繞著鋼絲的線盤，發射升空後，鋼絲會被拉伸張開，形成一條直達地面的放電通道。總的來說，人工引雷作業時，實驗人員會根據當時的天氣條件進行綜合判斷，條件合適時，當機立斷按下開關，光纖控制系統點火後，火箭隨即以約200米/秒的速度升空，快速上升的火箭頭部會引發大氣中電場的區域性變化，當這種變化突破了一定的閾值，就會激發閃電的初始階段——先導，向上先導發展至雷暴雲的電荷區，將雲中大量電荷透過已建立的通道向大地釋放，併產生耀眼的閃電通道和響亮的雷聲，由於鋼絲的末端連線固定在法拉第籠的金屬接閃杆上，研究人員得以透過事先架設的各種裝置對雷電電流、高能輻射、電場磁場等進行測量。

人工引雷應用前景廣闊

人工引雷能為可應用、可實操的人工影響雷暴、人工影響雷電新方法或技術體系等提供科學認識基礎。當然，雷電研究的最終目的是希望有朝一日能更好地干預和影響雷電、控制雷電，甚至安全利用雷電，但這都要建立在對雷電的科學認識之上。

實現天氣的可控性一直都是人類的美好願望，對於雷電也不例外。雖然現在的科學水平還並未達到這一高度，但我們已經掌握了一定程度上的人工影響和消減雷電技術，透過不斷的實驗和探索，我們對於雷電的認識會不斷深入，而雷電科學與人工引雷技術也必將不斷進步，為日益發展的工業、林業，乃至國防、航空航天事業保駕護航。到那時，我們便可以更好地干預和影響雷電、控制雷電，甚至安全利用雷電。

當然，人們關注度最高的一個問題是雷電能量能否儲存。必須看到，相較於火力發電、水力發電等人們所熟知的發電方式，閃電的能量具有很大的不可控和不穩定性，特別是雖然雷電的瞬時功率非常強，但其持續時間卻很短暫，一次閃電能量約為

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焦耳，差不多可供30個100瓦的燈泡照明100小時，因此它的能量實際上並不很大，儲存雷電能量的“價效比”並不高。此外，由於雷電能量瞬時高功率特徵，對儲存材料有著極高的要求，目前尚無合適的材料能夠滿足這一需求。綜合以上考量，雷電能量的儲存和利用在目前既不“划算”，也難以實現。

延伸閱讀

海南島開啟低緯度人工引雷實驗新徵程

海南島人工引雷實驗

海南島地處熱帶北緣，屬典型熱帶季風氣候，雨量充沛，同時雷暴天氣頻繁，具備良好的人工引雷實驗自然條件，因此中國科學院大氣物理研究所中層大氣和全球環境探測重點實驗室的雷電研究團隊聯合海南省氣象局、國防科技大學、成都資訊工程大學決定在海南省開展人工引雷實驗。

本次人工引雷實驗的成功，獲得了高速攝像、雷電流以及電磁場觀測資料。值得一提的是，此次成功引發的雷電為正極性地閃。國際上一度認為正極性引雷是極難捕捉的，但實際上已連續多年被雷電研究團隊成功捕捉。

9月19日當天，實驗人員持續觀測當日雷達回波，並根據多年引雷經驗預測當天極有可能完成首次人工引雷實驗，當雷暴進入實驗區域範圍內，人工引雷實驗負責人立即與空域管理人員進行溝通協商，獲得人工引雷實驗發射火箭許可後，在規定的時間和地點，首次完成島內人工引雷實驗，從火箭發射到引雷成功，整個過程在實驗團隊成員的嫻熟操作下一氣呵成，順利將雷電引入到預設的法拉第籠中。

9月21日12時05分，雷電研究團隊成功完成了第二次人工引雷實驗。此次成功引發的雷電為負極性地閃，充分說明該地區雷電頻數和種類豐富。

這兩次人工引雷實驗是目前我國緯度最低的引雷實驗，不僅驗證了低緯度地區實現人工引雷的可行性，更奠定了低緯度雷暴系統和雷電特徵研究實驗基礎，開啟了我國低緯度地區人工引雷實驗的新徵程。

編輯 匡峰

流程編輯 吳越