自然發生的雷電

行蹤詭異、難以預測；

而人工引雷，

就是讓雷電在可知可控的條件下發生的技術。

蔣如斌 · 中國科學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，來自于中國科學院大氣物理研究所。很高興今天有機會跟大家分享我與雷電打交道的故事和經歷。

說到雷電，大家應該都不陌生。就像這個畫面一樣，它往往出現在狂風暴雨的惡劣天氣中。大家可能也都看過一些仙俠主題的影視劇，其中雷電經常會和“渡劫”聯系在一起。

這是為什么呢？我想，可能是因為像“電絞”這樣的刑罰是人們所能想象的最大的一種痛苦了吧。在對世界末日、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，還有西方神話當中的雷神等。

“無惡不作“的雷電

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人們對于雷電的敬畏和驚恐之心是非常自然的，因為它確實能給我們生活的各個方面帶來嚴重的威脅，甚至會導致嚴重的人員傷亡。在雷電防護水平和公眾防雷意識都比較低的印度，嚴重時可能1個月就有數百人因雷擊而死亡。

大家注意看這棵樹下的4個人，是不是覺得有一點嚇人？當然，這個視頻也再次提醒我們：在雷雨天氣的時候，千萬千萬不要在大樹底下避雨。

雷電的災害實際上不僅如此。2019年3月底，四川省涼山州發生了嚴重的森林火災，32名消防戰士在這場火災中壯烈地犧牲。而這場火災的罪魁禍首就是雷電。

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

此外，雷電還會引起輸配電線路損毀，導致城鄉大規模停電；它也會引燃化工原料，使化工廠、油庫劇烈爆炸；它也會造成廣播、通訊中斷，甚至嚴重威脅航空航天活動以及國防活動的安全。

說到這里，我想在大家的心中，雷電可能已經被描繪成了一個無惡不作的“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，我總會試圖向周圍傳達：雷電實際上也有“性本善”的那些方面。

雷電的“另一面”

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這時候大家可能會非常鄙夷，覺得看到了一個虛偽的形象，也會有人說：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面。

米勒實驗

作為一種自然的物理過程，雷電的歷史實際比地球上的生命更加久遠。著名的米勒實驗曾經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行電擊，取得了一些氨基酸和其他有機物小分子。科學家在當時推測，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生的閃電熔巖，發現其中含有大量的活性磷和有機磷酸鹽分子。這類物質實際上對生命誕生非常重要，打個比方的話，我們可以把雷電比作為女媧造人提供了最為寶貴的泥團。

再把視角拉回到日常生活當中。我們知道，大氣電離層在我們的頭頂上方大概60公里，正是它對電波的反射，使得廣播通訊的信號能夠在很遠的距離以外被接收到。

但是研究發現，電離層實際上會源源不斷地向地球“漏電”。那么大家可能就會擔心，這電會不會漏光？如果這樣，我們的廣播通訊事業豈不會面臨著癱瘓的危險？但實際上，雷電和強對流雷暴云會默默地給電離層“充電”，動態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到上萬度的高溫，可以使氮氣、氧氣被完全電離，從而形成我們所說的氮氧化物，進一步形成硝酸鹽，而硝酸鹽恰恰是農作物生長所需的養料。同時，由于雷電產生的氮氧化物會進入全球的氮循環，所以會對全球氣候和環境變化起到一定的調節作用。

所以，在雷雨灌溉大地的同時，雷電也在起著固氮施肥的作用。可能大家會好奇，是不是能用雷電來發展綠色農業呢？就我個人而言，對這一點持比較保守的態度。

此外，雷電還可以幫助我們監測和預報強對流天氣，比如短時的強降雨。這是為什么呢？因為雷電本身孕育在強對流天氣系統的云系當中，蘊含了非常豐富的雨、雪、冰以及這種流場中風的信息。通過準確地探測雷電，并將相關信息整合到強對流天氣系統的數值模擬預報中，就有可能改進它的預報效果。

除了有用以外，雷電還可以說是一名“藝術家”。長期以來，一般認為雷電只能發生在地面以上十幾公里以內的對流層當中，而對流層以上到50公里的平流層、甚至平流層再往上的中間層大氣，被認為是沒有放電活動的。

實際上，發生在對流層的雷電活動會產生強烈的電磁輻射效應，電磁波會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產生尺度更大、更加絢麗多彩的放電現象。它們有著非常有意思的名字，比如紅色精靈、巨大噴流、藍色噴流等，就像圖中所展示的這樣。

我們來看一看用黑白相機拍攝到的紅色精靈。它發生、發展、放電的詳細過程，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有一個全新的印象。在我眼里，雷電是非常壯美的，我認為這種壯美并不是所謂的“惡之花”。我傾向于認為，雷電所導致的錯誤、帶來的災害甚至苦難是無心而為的結果，我特別希望人類能夠跟雷電成為和諧共處的朋友。

那么，這就需要我們進一步地了解雷電、認識雷電、靠近雷電，但這其實不是一件容易的事情。我們來看一看雷電有什么樣的特點，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，我們肉眼所看到的雷電只是一瞬間的放電現象，或者一道閃光而已。

這是我們用高速攝像機拍攝到的、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。這個放電通道的發展速度有多快呢？是10的5次方米每秒的量級，也就是說1秒鐘它能夠跑100公里甚至更遠的距離。

而當通道打到地上，產生的這種強烈的閃光實際也有速度，也有發展方向。它能達到1/3的光速，所以一般的高速攝像機甚至沒有辦法分辨這一過程。

自然發生的雷電其實是行蹤詭異、難以預測的。雖然我們知道雷電會發生在強對流的云系當中，但下一秒鐘它究竟會發生在哪里，是打到我們的電視塔？還是打到某個高聳的煙囪上？這是沒有辦法預測的，因此這種詭異的行蹤也給研究帶來了難度。

我們就會想，如果有辦法讓雷電在指定的時間和地點發生，這樣是不是就可以對它進行更好的研究？人工引雷，就是一項讓雷電在可知可控的條件下發生的技術，也是我所在的研究團隊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，引雷火箭實際上只能飛到幾百米的高度，而雷暴云或者說強對流云的電荷區一般在幾公里的高度以上，這個放電橋梁是怎么構建起來的呢？這要得益于火箭所在的位置，也就是說細鋼絲尖端的位置發生了向上的尖端放電過程。這個放電形成了等離子通道，最終構建了云和大地之間的放電，雷就被引了下來。

2021年7月，我們在山東開展了人工引雷實驗，大家注意看小火箭拖著尾焰往上走的過程。當時小伙伴們也很興奮。大家可能覺得這個視頻非常酷炫，但對我們來說，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、它產生的電磁輻射以及發生發展規律究竟如何？這一系列事關雷電物理本質的基礎科學問題，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，是一個非常重要的參量。

我們還可以通過高速攝像機，捕捉和拍攝它在大氣中舞動的曼妙身姿。

當然，對于高速相機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閃電放電的物理過程。就可以得到這幅重構的、非常漂亮的閃電發展圖像。

通過人工引雷，我們對雷電的物理過程、現象取得了一些新的認識。在這里簡單地舉一個例子：它是怎樣發展和傳輸的。

這里涉及連續傳輸、梯級傳輸兩個名詞，我簡單地介紹一下。連續傳輸比較好理解，它持續地往前發展放電通道；而梯級傳輸則是間歇性的停頓，往前跳一步、再停頓、再往前跳一步地發展放電通道。

一直以來，我們都認為通道中聚集正離子的所謂正極性通道是連續傳輸的，而通道中聚集負電子的所謂負極性通道是梯級傳輸的。但是，后來少量的觀測證據對此提出了質疑。

人工引雷可以很好地回答這個問題，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；因為它發生的位置是已知的，我們也可以開展更快、更高速的高速攝像。這就系統地回答了正極性通道實際上也客觀地存在著梯級傳輸的特征。

說到這里，大家可能覺得非常枯燥，甚至有一點無聊，覺得把這些問題搞清楚有什么意義？這個問題跟我有什么關系？我一度也只能用“哪里存在未知，我們就要去解決它”來回答。直到后來我們發現，早期通道的梯級特征可以作為發生雷擊的一個先兆信號，預測雷擊會在很快的時間段內發生。

通過探測先兆信號，我們就有可能提前啟動防御動作，避免雷擊的傷害。這種技術已經在研發和測試階段，特別希望在未來它能夠實實在在地對降低雷電災害發揮有用的效果。

除了對科學問題進行探索和研究以外，人工引雷實際上還可以測試防雷技術。換句話說，我們的防雷技術到底有沒有用，可以通過引雷的辦法打一打來進行檢驗。

在通訊行業，通訊信號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驗

當然問題也來了。左圖是傳統人工引雷的設置，它是在地面進行的，而這個實驗要把雷引到10層樓高的信號塔塔尖上。那我們是不是要把火箭平臺搬到塔頂上呢？那么狹小的空間顯然是不現實的。經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，就是在傳統的方案中把“電”先斷掉。那怎么做呢？

就像圖中藍色虛線所代表的，我們接了一段絕緣的尼龍線，這個地方的放電就會被切斷。那么這個電往哪里跑呢？它只能去找旁邊最高的一個點進行放電，就自然地打到了我們的信號塔上。

雷聲就是命令

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對于開展人工引雷實驗，我想大家可能還有一個非常關心的問題，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，實際上我們做實驗還是比較安全的。前面介紹的引雷操作都在控制室內完成，我們也對控制室進行了比較好的雷電防護，采用了比較周密的防護措施。通過提前監測和預測，室外的操作一般都會在雷雨到來之前準備完善，雷雨天氣的時候，我們就會回到安全的室內操作。

但是說實話，人工引雷實際上是一個與天謀食的事業，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，下雨的強度突然變大了，隱約聽到了微弱的雷聲。

對于我們來講，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機。由于當時的條件限制，我們只能采用步行的方式。走到一半雨勢變得非常猛烈，雷聲也從弱弱的悶雷變成了炸雷，就像在耳邊撕裂一樣，同時一道又一道的閃光也在我們的眼前出現。

大家可以想象，當時的場面應該是波瀾壯闊的，悲壯的感覺溢于眼前。如果真的要寫一篇作文，我想那種隨時為科學獻身、舍生忘死的精神或豪情很容易就會被渲染出來。但是對我來講，是不是真的這樣呢？我不太樂意去這樣詮釋。

有人會問，那你拼了命、勇往直前的力量是從哪里來的呢？其實我想說，因為我們當時走到了一半，往前走和往后走的代價是一樣的。

這樣一個科研小故事，大家聽了可能會會心一笑。但是對于我們來講，實際上還有另外一個解讀角度：那就是其實我們對于雷電、雷暴天氣的認識還遠遠不夠，如果我們能夠做得更好，對它進行更好地監測和預測，這種半途遇險、騎虎難下的狀況就不會發生。在我們的科研工作當中，這種情況影響的可能是數據的獲取，但如果相似的情況發生在航天發射或者軍事活動當中，后果將不堪設想。

所以說，對于雷電的研究還有很長的路要走。我們希望摸清它的規律，了解它真正的習性。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，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實。

當然，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，會把這項目標當作畢生的追求。