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从“雷为天怒”到捕捉利用 我们如何认识雷电?

发布时间:2024年05月06日 来源:中国气象报社

编者按:春夏之交,强对流天气日渐频繁,雷电也进入多发季。近日,广东省广州市地标建筑广州塔“小蛮腰”频繁被闪电击中,再次登上热搜,引起公众的强烈关注。

雷电是如何发生的?“小蛮腰”为何要主动“迎接”雷击?气象部门如何监测雷电、捕捉雷电、利用雷电?本期科普看台带您了解雷电的秘密。

专家顾问 

中国气象科学研究院研究员、中国气象局雷电野外科学试验基地主任 吕伟涛 

中国气象科学研究院副研究员 刘恒毅


雷电是如何发生的?

雷电自古以来便自带“流量”。古人曾认为“雷为天怒”,神话中也以“雷公”“电母”解释电闪雷鸣的存在;《论语》则要求人们遇到雷电时,要正襟危坐,以示虔诚……这些无不体现着先人对雷电这一现象的好奇与敬畏。

东汉王充专门对雷电开展研究,认为雷电是“一声一气”,当阴阳相争时,剧烈地对抗、摩擦,形成雷电。

从现代科学理论来看,雷电是一种自然现象,发生在积雨云中,当云中的电荷分布不均,电场强度达到一定程度时,便会产生放电现象。闪电可分为云闪(主要指发生在云内、云间或云与空气之间的闪电)和地闪(指打到地面上的闪电),总体上云闪与地闪的比例约为3:1。

这样看来,王充的理解已隐隐约约触碰到了雷电的本质,显示出先人从被动接受自然现象到主动解释自然规律的不断尝试。

关于雷电现象,公众感官上将其分为看到的“闪”和听到的“雷”。“闪”是巨大电流通过放电通道时释放能量产生的耀眼闪光。电流产生的加热效应导致周围空气迅速膨胀,形成冲击波,再经过空气传播,就成为我们听到的雷声。雷声的种类与人类距离闪电远近有关,当距离较近时,雷声就是爆裂声;当距离较远,雷声就是隆隆声。雷声和闪电的形成是同步的,但是在大气中声速远远小于光速,这就会造成先看到闪光,后听到雷声的情况,因此可以根据这个时间差来估算闪电的距离。由此看来,“闪电”“雷电”“打雷”实际是一回事,本文根据上下文的语境选用

雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中  图源:《气象知识》

电距人类较远,因此其并非只有肉眼看到的体量。实际上,雷电通道短的有几百米,长的可伸展至几十公里到几百公里。雷电通常呈现出树枝状的分叉结构,但有些雷电通道却呈现光滑几乎无分叉的特征,有些雷电可能会在短时间内多次放电,这使得自然界中的雷电通道千姿百态,如蜘蛛般爬行舞动的蛛状闪电、“瘦成一道闪电”般的线状闪电、视觉上有一定宽度的带状闪电等,在中高层大气中也存在红色精灵、蓝色喷流等放电现象。更特别的,动画片《黑猫警长》中极为恐怖的“凶手”球状闪电,是不少“90后”的童年噩梦。据目击者描述,球状闪电能随气流起伏在近地空中自在飘飞或逆风而行,可通过开着的门窗进入室内,甚至可能碰到障碍物而引发爆炸。

此前,世界气象组织(WMO)公布了迄今为止探测到的跨度最长的闪电——2018年10月31日发生于巴西南部的一道闪电,横向跨度709公里,相当于从湖北武汉直接闪到了上海。WMO同时还公布了持续时间最久的闪电——2019年3月4日阿根廷北部的一道闪电持续了惊人的16.73秒。

雷电常伴随大风、暴雨一起出现。但实际上,光打雷不下雨的情况也不少见,俗称“旱天雷”。甚至晴朗无云的天空中也会突然电闪雷鸣,宋代诗人杨万里诗中“平地跳雪山,晴空下霹雳”,记录的就是这种情况。

晴天打雷是因为闪电放电过程是可以在空气中延伸的。有时,闪电的放电通道从积雨云中延伸出来,经过相对较长的距离,在上方没有下雨、甚至没多少云的位置击中地面,这也就是所谓的“晴天霹雳”了。因此,“晴天霹雳”并不是说在万里无云的天气中凭空发生一次雷击,而是指附近雷暴过程中的雷电通道延伸出云外。对比之前的闪电分类,有时我们可以看到空中有闪电划过,但并未落地,这属于云闪;如果闪电最终击中了高楼大厦、房屋、树木等地面上的物体,就属于地闪。晴天霹雳和常见的雷电现象本质上是一样的,只是雷击位置不同而已。需要指出的是,在户外活动时,即使所处位置并未有狂风暴雨,但听到远处的雷声,也需要提高警惕,及早寻找合适的庇护场所,遵循防雷原则,确保安全。

那雷电在哪些地方多发呢?以我国为例,雷电主要集中在每年4月至9月,其中6月至8月为高发期。从空间来看,我国东部湿润地区每年每平方公里平均发生6.7次闪电,西部寒旱地区约为1.9次。中国陆地区域闪电高发区主要分布在北回归线附近和以南的地区,包括广东和广西南部、海南岛中北部,最密集的地区每年每平方公里大约发生31.4次闪电,中国气象局雷电野外科学试验基地就选址在广东从化,有更多的机会获取闪电数据。而极低值区主要分布在西部的沙漠、戈壁滩和盆地内,包括塔里木盆地和塔克拉玛干沙漠、柴达木盆地、罗布泊和库姆塔格沙漠、准噶尔盆地的古尔班通古特沙漠等,每年每平方公里发生闪电次数低于0.2次。

闪电发生时,亮光可以照亮一片天空,伴随隆隆雷声,给人雷霆万钧之感。吕伟涛介绍,实际上,闪电输送的能量并没有想象中那么大,一次普通的地闪释放的能量大约为10亿焦耳。但是,它持续的时间往往非常短,最强烈的回击过程通常仅持续数十微秒(1微秒=0.000001秒),也就是说,这些能量是在瞬间释放的,威力绝对不容小觑。

据估计,全世界每年雷电导致的人员伤亡可达数千人甚至上万人。人体遭受雷电伤害的方式可能是直接遭雷击伤害,也可能是因为接近雷电流泄放通路,以跨步电压等形式间接遭受伤害。刘恒毅介绍,地闪回击电流强度可达数十到上百千安,这样的电流可以将人瞬间击穿,发生严重的伤害,甚至危及生命。同样的,雷电击中建筑物、油库、输电线路、牧场、森林树木等人类经济、工作、生活场所,也会对各种财产造成直接损害。而雷电以浪涌电压、电磁脉冲干扰等形式还会间接导致电力系统、通信系统、雷达设备,以及其他电子信息系统的故障或损坏。刘恒毅提醒,雷雨天气一定要提高警惕,万不可掉以轻心,公众应密切关注气象部门发布的预报预警信息。

构建成体系全方位的雷电监测系统

雷电精密监测是科学防范雷电灾害的关键一步,有助于更好地了解雷电的发生机制和发展规律,从而为防雷减灾工作提供科学依据。

目前,我国气象部门已经建立了雷电监测网络,主要包括国家雷电监测网和各地区组建的地区雷电监测网,覆盖全国大部分地区。

架设在海南三亚的高分型闪电通道成像系统 吕伟涛供图

刘恒毅介绍,雷电的三维形态研究主要采用地面观测的方式,利用高精度闪电定位仪、专门的闪电相机等,观测雷电放电路径的三维形状及其变化情况;此外,利用计算机技术,可对雷电的发生发展过程进行数值模拟,从而研究闪电特定发展特征及其背后的物理机制。

闪电监测主要依靠对闪电发生时产生的电场、磁场、声音和光信号观测来实现。常见的设备有观测地面电场的大气电场仪,用于较大范围闪电定位观测的低频、甚低频闪电定位系统,用于精细闪电放电路径观测的甚高频闪电定位系统,用于雷暴日记录的人工或仪器观测,以及用于雷击事件记录的闪电光学观测等。

以全国范围的地闪定位系统为代表,它主要用于探测地闪的雷击位置、时刻和强度,并且能够区分正负极性。在此基础上,近年来我国闪电定位系统开始向全闪(能对云闪、地闪等闪电类型进行有效定位和区分)、三维(不仅能提供地闪接地位置,还能提供云闪放电空间三维分布)的方向升级。有些地区还开始在一些重点区域布设具有闪电放电路径高精度观测能力的闪电定位系统。中国气象科学研究院雷电团队就拥有基于多种技术路线的闪电高精度定位技术。总体来说,我国的闪电定位技术处于国际先进水平。

架设在西藏自治区当雄县的高速型闪电通道成像系统 吕伟涛供图

此前提到,最长的闪电长达700多公里,面对这类大型闪电,地面监测就“力不从心”了,此时就需要卫星遥感技术来协助。卫星可以直接从更广阔的高空探测,这些破纪录的巨型闪电自然难逃其法眼。

雷电的发生具有很强随机性,为了获取第一手的自然雷电物理参数,科学家开始在雷击高发的高建筑物开展各类综合雷击观测并获得大量宝贵数据。例如广州高建筑物雷电观测站TOLOG,主要针对广州高建筑群上发生的闪电活动进行综合观测与研究。吕伟涛介绍,TOLOG可以对闪电多个子放电过程不同强度的电磁场辐射信号进行完整记录,曾在国际上首次发现雷电连接过程中的侧击现象和先导连接行为的多样性。

TOLOG搭载了多种新型闪电光学观测设备,包括高速摄像系统和全视野闪电通道成像仪,具有对闪电先导发展过程的高速观测能力,可实现全视野范围闪电事件无遗漏捕获和高分辨率观测。4月20日,正是这一设备捕捉了广州塔“小蛮腰”主动接受雷击的全过程,引发全网关注。对于雷电的探测研究也使得避雷成为可能。主动“迎接”闪电的“小蛮腰”,也可以看做一种有效的区域避雷手段。吕伟涛介绍,“小蛮腰”高约600米,平均每年吸引闪电达几十次,密集时不到一小时就被击中10余次,这一过程的学名叫做“接闪”。“小蛮腰”敢于主动“接闪”的底气,来源于其顶部的雷电防御保护装置(避雷针)。当高楼上空出现带电云层时,避雷针被感应上电荷,与带电云层形成了一个电容很小的电容器。但避雷针针头很尖,能聚集大量电荷,导致避雷针与云层之间的空气易被击穿,成为导体。云层上的电荷经由接闪装置和引下线,流经建筑物,散落到周边大地。也就是说,“小蛮腰”顶部所谓的“避雷针”实际是“引雷针”,将雷电吸引到自己身上,来保护周边建筑和行人的安全,可谓“舍己为人”。

雷电的监测预报和预警技术也在不断精进。基于大量的气象数据,气象部门已经实现对雷电活动的精确预测和及时预警,雷电预报预警水平得以不断提升。例如,中国气象科学研究院雷电团队早在2006年就开始了雷电预警技术的相关研究,研发的雷电临近预警系统已经在中央气象台业务化运行,并应用于重大活动保障中。随着新技术的引入,雷电0—12小时临近预警和短时预报机器学习模型、数据和机理协同驱动的0—12小时雷电临近预警和短时预报系统这些最新产品,也为雷电预警预报技术的发展作出新的贡献。

人工引雷带来更多可能

人工引雷通过将雷电“引下来”开展直接观测,是研究和认识雷电的重要手段。每年雷电高发季,雷电相关领域的气象工作者就会奔赴中国气象局雷电野外科学试验基地,开展人工引雷试验。

人工引雷的原理主要是利用特制的火箭,将一根细长的金属导线拖拽到高空,形成类似上行闪电的物理过程。火箭接近带电云层的过程中,云层中的放电和火箭头部激发的放电会相向而行,发生连接并最终触发闪电。自1977年首次成功开展人工引雷试验以来,经过近半个世纪的发展,我国这一技术已经相当成熟。目前,在特定气象条件下,我国的人工引雷试验成功率可达70%甚至更高,在国际上处于领先地位。

中国气象局雷电野外科学试验基地人工引雷试验情况 吕伟涛供图

人工引雷技术的飞速发展,也为雷电为人所用带来更大可能。人工引雷可以在预知的时间、地点捕捉到真实的放电过程,获取直接的雷电流,近距离测量雷电放电参量。其次,人工引雷技术可以用于雷电防护设施测试,例如对接闪器、引下线、接地电阻等电位连接和电涌保护器等关键防雷部件的检测和评估,以确保其符合规范要求,从而保障高建筑在雷电环境中的安全。

不过,虽然人工引雷可以引下雷电,但目前没有完全可靠的技术能够实现雷电能量的存储利用,这主要是由于闪电发生时间、地点、强度的随机性和不可控性,都会导致雷电能量的收集效率极低,且雷电的瞬时强功率特性,也使得能量收集技术难度非常大。(张艺博)

(责任编辑:曹锐怡)