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      從“雷為天怒”到捕捉利用 我們如何認識雷電?

      發布時間:2024年05月06日 來源:中國氣象報社

      編者按:春夏之交,強對流天氣日漸頻繁,雷電也進入多發季。近日,廣東省廣州市地標建筑廣州塔“小蠻腰”頻繁被閃電擊中,再次登上熱搜,引起公眾的強烈關注。

      雷電是如何發生的?“小蠻腰”為何要主動“迎接”雷擊?氣象部門如何監測雷電、捕捉雷電、利用雷電?本期科普看臺帶您了解雷電的秘密。

      專家顧問 

      中國氣象科學研究院研究員、中國氣象局雷電野外科學試驗基地主任 呂偉濤 

      中國氣象科學研究院副研究員 劉恒毅


      雷電是如何發生的?

      雷電自古以來便自帶“流量”。古人曾認為“雷為天怒”,神話中也以“雷公”“電母”解釋電閃雷鳴的存在;《論語》則要求人們遇到雷電時,要正襟危坐,以示虔誠……這些無不體現著先人對雷電這一現象的好奇與敬畏。

      東漢王充專門對雷電開展研究,認為雷電是“一聲一氣”,當陰陽相爭時,劇烈地對抗、摩擦,形成雷電。

      從現代科學理論來看,雷電是一種自然現象,發生在積雨云中,當云中的電荷分布不均,電場強度達到一定程度時,便會產生放電現象。閃電可分為云閃(主要指發生在云內、云間或云與空氣之間的閃電)和地閃(指打到地面上的閃電),總體上云閃與地閃的比例約為3:1。

      這樣看來,王充的理解已隱隱約約觸碰到了雷電的本質,顯示出先人從被動接受自然現象到主動解釋自然規律的不斷嘗試。

      關于雷電現象,公眾感官上將其分為看到的“閃”和聽到的“雷”?!伴W”是巨大電流通過放電通道時釋放能量產生的耀眼閃光。電流產生的加熱效應導致周圍空氣迅速膨脹,形成沖擊波,再經過空氣傳播,就成為我們聽到的雷聲。雷聲的種類與人類距離閃電遠近有關,當距離較近時,雷聲就是爆裂聲;當距離較遠,雷聲就是隆隆聲。雷聲和閃電的形成是同步的,但是在大氣中聲速遠遠小于光速,這就會造成先看到閃光,后聽到雷聲的情況,因此可以根據這個時間差來估算閃電的距離。由此看來,“閃電”“雷電”“打雷”實際是一回事,本文根據上下文的語境選用。

      雷電一般產生于對流發展旺盛的積雨云中? 圖源:《氣象知識》

      電距人類較遠,因此其并非只有肉眼看到的體量。實際上,雷電通道短的有幾百米,長的可伸展至幾十公里到幾百公里。雷電通常呈現出樹枝狀的分叉結構,但有些雷電通道卻呈現光滑幾乎無分叉的特征,有些雷電可能會在短時間內多次放電,這使得自然界中的雷電通道千姿百態,如蜘蛛般爬行舞動的蛛狀閃電、“瘦成一道閃電”般的線狀閃電、視覺上有一定寬度的帶狀閃電等,在中高層大氣中也存在紅色精靈、藍色噴流等放電現象。更特別的,動畫片《黑貓警長》中極為恐怖的“兇手”球狀閃電,是不少“90后”的童年噩夢。據目擊者描述,球狀閃電能隨氣流起伏在近地空中自在飄飛或逆風而行,可通過開著的門窗進入室內,甚至可能碰到障礙物而引發爆炸。

      此前,世界氣象組織(WMO)公布了迄今為止探測到的跨度最長的閃電——2018年10月31日發生于巴西南部的一道閃電,橫向跨度709公里,相當于從湖北武漢直接閃到了上海。WMO同時還公布了持續時間最久的閃電——2019年3月4日阿根廷北部的一道閃電持續了驚人的16.73秒。

      雷電常伴隨大風、暴雨一起出現。但實際上,光打雷不下雨的情況也不少見,俗稱“旱天雷”。甚至晴朗無云的天空中也會突然電閃雷鳴,宋代詩人楊萬里詩中“平地跳雪山,晴空下霹靂”,記錄的就是這種情況。

      晴天打雷是因為閃電放電過程是可以在空氣中延伸的。有時,閃電的放電通道從積雨云中延伸出來,經過相對較長的距離,在上方沒有下雨、甚至沒多少云的位置擊中地面,這也就是所謂的“晴天霹靂”了。因此,“晴天霹靂”并不是說在萬里無云的天氣中憑空發生一次雷擊,而是指附近雷暴過程中的雷電通道延伸出云外。對比之前的閃電分類,有時我們可以看到空中有閃電劃過,但并未落地,這屬于云閃;如果閃電最終擊中了高樓大廈、房屋、樹木等地面上的物體,就屬于地閃。晴天霹靂和常見的雷電現象本質上是一樣的,只是雷擊位置不同而已。需要指出的是,在戶外活動時,即使所處位置并未有狂風暴雨,但聽到遠處的雷聲,也需要提高警惕,及早尋找合適的庇護場所,遵循防雷原則,確保安全。

      那雷電在哪些地方多發呢?以我國為例,雷電主要集中在每年4月至9月,其中6月至8月為高發期。從空間來看,我國東部濕潤地區每年每平方公里平均發生6.7次閃電,西部寒旱地區約為1.9次。中國陸地區域閃電高發區主要分布在北回歸線附近和以南的地區,包括廣東和廣西南部、海南島中北部,最密集的地區每年每平方公里大約發生31.4次閃電,中國氣象局雷電野外科學試驗基地就選址在廣東從化,有更多的機會獲取閃電數據。而極低值區主要分布在西部的沙漠、戈壁灘和盆地內,包括塔里木盆地和塔克拉瑪干沙漠、柴達木盆地、羅布泊和庫姆塔格沙漠、準噶爾盆地的古爾班通古特沙漠等,每年每平方公里發生閃電次數低于0.2次。

      閃電發生時,亮光可以照亮一片天空,伴隨隆隆雷聲,給人雷霆萬鈞之感。呂偉濤介紹,實際上,閃電輸送的能量并沒有想象中那么大,一次普通的地閃釋放的能量大約為10億焦耳。但是,它持續的時間往往非常短,最強烈的回擊過程通常僅持續數十微秒(1微秒=0.000001秒),也就是說,這些能量是在瞬間釋放的,威力絕對不容小覷。

      據估計,全世界每年雷電導致的人員傷亡可達數千人甚至上萬人。人體遭受雷電傷害的方式可能是直接遭雷擊傷害,也可能是因為接近雷電流泄放通路,以跨步電壓等形式間接遭受傷害。劉恒毅介紹,地閃回擊電流強度可達數十到上百千安,這樣的電流可以將人瞬間擊穿,發生嚴重的傷害,甚至危及生命。同樣的,雷電擊中建筑物、油庫、輸電線路、牧場、森林樹木等人類經濟、工作、生活場所,也會對各種財產造成直接損害。而雷電以浪涌電壓、電磁脈沖干擾等形式還會間接導致電力系統、通信系統、雷達設備,以及其他電子信息系統的故障或損壞。劉恒毅提醒,雷雨天氣一定要提高警惕,萬不可掉以輕心,公眾應密切關注氣象部門發布的預報預警信息。

      構建成體系全方位的雷電監測系統

      雷電精密監測是科學防范雷電災害的關鍵一步,有助于更好地了解雷電的發生機制和發展規律,從而為防雷減災工作提供科學依據。

      目前,我國氣象部門已經建立了雷電監測網絡,主要包括國家雷電監測網和各地區組建的地區雷電監測網,覆蓋全國大部分地區。

      架設在海南三亞的高分型閃電通道成像系統?呂偉濤供圖

      劉恒毅介紹,雷電的三維形態研究主要采用地面觀測的方式,利用高精度閃電定位儀、專門的閃電相機等,觀測雷電放電路徑的三維形狀及其變化情況;此外,利用計算機技術,可對雷電的發生發展過程進行數值模擬,從而研究閃電特定發展特征及其背后的物理機制。

      閃電監測主要依靠對閃電發生時產生的電場、磁場、聲音和光信號觀測來實現。常見的設備有觀測地面電場的大氣電場儀,用于較大范圍閃電定位觀測的低頻、甚低頻閃電定位系統,用于精細閃電放電路徑觀測的甚高頻閃電定位系統,用于雷暴日記錄的人工或儀器觀測,以及用于雷擊事件記錄的閃電光學觀測等。

      以全國范圍的地閃定位系統為代表,它主要用于探測地閃的雷擊位置、時刻和強度,并且能夠區分正負極性。在此基礎上,近年來我國閃電定位系統開始向全閃(能對云閃、地閃等閃電類型進行有效定位和區分)、三維(不僅能提供地閃接地位置,還能提供云閃放電空間三維分布)的方向升級。有些地區還開始在一些重點區域布設具有閃電放電路徑高精度觀測能力的閃電定位系統。中國氣象科學研究院雷電團隊就擁有基于多種技術路線的閃電高精度定位技術??傮w來說,我國的閃電定位技術處于國際先進水平。

      架設在西藏自治區當雄縣的高速型閃電通道成像系統?呂偉濤供圖

      此前提到,最長的閃電長達700多公里,面對這類大型閃電,地面監測就“力不從心”了,此時就需要衛星遙感技術來協助。衛星可以直接從更廣闊的高空探測,這些破紀錄的巨型閃電自然難逃其法眼。

      雷電的發生具有很強隨機性,為了獲取第一手的自然雷電物理參數,科學家開始在雷擊高發的高建筑物開展各類綜合雷擊觀測并獲得大量寶貴數據。例如廣州高建筑物雷電觀測站TOLOG,主要針對廣州高建筑群上發生的閃電活動進行綜合觀測與研究。呂偉濤介紹,TOLOG可以對閃電多個子放電過程不同強度的電磁場輻射信號進行完整記錄,曾在國際上首次發現雷電連接過程中的側擊現象和先導連接行為的多樣性。

      TOLOG搭載了多種新型閃電光學觀測設備,包括高速攝像系統和全視野閃電通道成像儀,具有對閃電先導發展過程的高速觀測能力,可實現全視野范圍閃電事件無遺漏捕獲和高分辨率觀測。4月20日,正是這一設備捕捉了廣州塔“小蠻腰”主動接受雷擊的全過程,引發全網關注。對于雷電的探測研究也使得避雷成為可能。主動“迎接”閃電的“小蠻腰”,也可以看做一種有效的區域避雷手段。呂偉濤介紹,“小蠻腰”高約600米,平均每年吸引閃電達幾十次,密集時不到一小時就被擊中10余次,這一過程的學名叫做“接閃”?!靶⌒U腰”敢于主動“接閃”的底氣,來源于其頂部的雷電防御保護裝置(避雷針)。當高樓上空出現帶電云層時,避雷針被感應上電荷,與帶電云層形成了一個電容很小的電容器。但避雷針針頭很尖,能聚集大量電荷,導致避雷針與云層之間的空氣易被擊穿,成為導體。云層上的電荷經由接閃裝置和引下線,流經建筑物,散落到周邊大地。也就是說,“小蠻腰”頂部所謂的“避雷針”實際是“引雷針”,將雷電吸引到自己身上,來保護周邊建筑和行人的安全,可謂“舍己為人”。

      雷電的監測預報和預警技術也在不斷精進?;诖罅康臍庀髷祿?,氣象部門已經實現對雷電活動的精確預測和及時預警,雷電預報預警水平得以不斷提升。例如,中國氣象科學研究院雷電團隊早在2006年就開始了雷電預警技術的相關研究,研發的雷電臨近預警系統已經在中央氣象臺業務化運行,并應用于重大活動保障中。隨著新技術的引入,雷電0—12小時臨近預警和短時預報機器學習模型、數據和機理協同驅動的0—12小時雷電臨近預警和短時預報系統這些最新產品,也為雷電預警預報技術的發展作出新的貢獻。

      人工引雷帶來更多可能

      人工引雷通過將雷電“引下來”開展直接觀測,是研究和認識雷電的重要手段。每年雷電高發季,雷電相關領域的氣象工作者就會奔赴中國氣象局雷電野外科學試驗基地,開展人工引雷試驗。

      人工引雷的原理主要是利用特制的火箭,將一根細長的金屬導線拖拽到高空,形成類似上行閃電的物理過程?;鸺咏鼛щ娫茖拥倪^程中,云層中的放電和火箭頭部激發的放電會相向而行,發生連接并最終觸發閃電。自1977年首次成功開展人工引雷試驗以來,經過近半個世紀的發展,我國這一技術已經相當成熟。目前,在特定氣象條件下,我國的人工引雷試驗成功率可達70%甚至更高,在國際上處于領先地位。

      中國氣象局雷電野外科學試驗基地人工引雷試驗情況?呂偉濤供圖

      人工引雷技術的飛速發展,也為雷電為人所用帶來更大可能。人工引雷可以在預知的時間、地點捕捉到真實的放電過程,獲取直接的雷電流,近距離測量雷電放電參量。其次,人工引雷技術可以用于雷電防護設施測試,例如對接閃器、引下線、接地電阻等電位連接和電涌保護器等關鍵防雷部件的檢測和評估,以確保其符合規范要求,從而保障高建筑在雷電環境中的安全。

      不過,雖然人工引雷可以引下雷電,但目前沒有完全可靠的技術能夠實現雷電能量的存儲利用,這主要是由于閃電發生時間、地點、強度的隨機性和不可控性,都會導致雷電能量的收集效率極低,且雷電的瞬時強功率特性,也使得能量收集技術難度非常大。(張藝博)

      (責任編輯:曹銳怡)


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