森林雷擊區(qū)人工影響雷電方法綜述

吳樹森，黃 鑫

（漠河縣氣象局，黑龍江 漠河 165300）

雷電災(zāi)害被聯(lián)合國(guó)有關(guān)部門列為“最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一”，被中國(guó)國(guó)防電工委員會(huì)稱為“電子時(shí)代的一大公害”，全球每天發(fā)生云地閃800萬次，若按雷電均勻分布估算，世界上4.1×106hm2森林就有50萬次雷擊[1]。雷擊火是天然火源，其發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)受大氣中雷電分布、可燃物狀況和氣象條件所支配，常規(guī)的防火措施是無法減少雷擊森林火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)。雷擊火是森林最主要災(zāi)害之一，通常發(fā)生在人跡罕至的地區(qū)，一旦釀成火災(zāi)后很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，往往形成大面積的森林火災(zāi)。我國(guó)大興安嶺由于雷擊引起的森林火災(zāi)占森林火災(zāi)總數(shù)的24%，1966—1984年大興安嶺林區(qū)黑龍江省部分雷擊引起森林火災(zāi)170次，而2000年以來雷擊火呈明顯上升趨勢(shì)[2]，因此加強(qiáng)對(duì)雷電的研究和對(duì)雷擊火的預(yù)防極為重要。

1 森林雷擊火發(fā)生幾率

雷電是在雷暴天氣條件下發(fā)生于大氣中的一種長(zhǎng)距離放電現(xiàn)象，具有大電流、高電壓、強(qiáng)電磁輻射等特征。雷電主要有發(fā)生于云內(nèi)不同電荷區(qū)之間的云閃、發(fā)生于雷暴和地面之間的地閃以及發(fā)生于雷暴之間不同極性電荷區(qū)的云間閃電。云閃一般占總閃電的2/3，而云間閃電發(fā)生的幾率較低，地閃對(duì)人類危害最大。森林雷擊火的發(fā)生受多種因素的制約，是多要素集合的結(jié)果。目前GMS衛(wèi)星所提供的實(shí)際信息表明，各地森林雷擊火險(xiǎn)度主要取決于雷擊火發(fā)生時(shí)期內(nèi)的雷暴系統(tǒng)的路徑、強(qiáng)度及影響地區(qū)的空氣溫度和環(huán)境等因素，森林雷擊火險(xiǎn)度常用森林雷擊火發(fā)生幾率來確定，按上述集合理論，可用下式求算：

式中：Pji為春季森林雷擊火發(fā)生幾率；Kit為春季森林雷擊火發(fā)生時(shí)期的系數(shù)按月給定；Kxm為雷暴系統(tǒng)路徑指數(shù)；Kgm為雷暴系統(tǒng)的強(qiáng)度指數(shù)；Kui為兩雷暴系統(tǒng)影響地區(qū)的近地面空氣系數(shù)，按溫度范圍給定；Khi為雷暴影響區(qū)的局地環(huán)境指數(shù)[1]。

根據(jù)森林雷擊火發(fā)生幾率與實(shí)際火險(xiǎn)等級(jí)天氣的關(guān)系，確定每個(gè)火險(xiǎn)等級(jí)的森林火險(xiǎn)發(fā)生幾率的范圍。在特別容易發(fā)生雷擊火的地區(qū)，可以人為消除云地閃電，從根本上消滅雷擊火，目前采用方法主要有以下幾種。

（1）采用飛機(jī)撒播硫化銀，破壞雷雨云的起電機(jī)制；

（2）消除或減弱云中電荷中心抵制閃電的發(fā)生。如撒播金屬絲等導(dǎo)電性較好的物質(zhì)，減弱或中和云中的電荷中心，使云中電場(chǎng)減小，從而消除閃電；

（3）采用高速運(yùn)動(dòng)物體誘發(fā)云內(nèi)閃電，破壞雷雨云的起電機(jī)制。如從地面向云中發(fā)射帶有長(zhǎng)導(dǎo)線尾巴的小火箭誘發(fā)云內(nèi)閃電，可以消除云地閃電；

（4） 使用次聲（16 Hz）或超聲（2×104Hz）的地、空干擾機(jī)影響或抑制閃電過程；

（5）安裝預(yù)防性避雷裝置，就是基于對(duì)閃電、電荷形成、區(qū)域火險(xiǎn)認(rèn)識(shí)到的基礎(chǔ)上，在林區(qū)易遭受雷擊帶設(shè)置各種不同結(jié)構(gòu)的避雷裝置，將雷電引入地下。

2 人工影響閃電的雷電防護(hù)方法

2.1 富蘭克林避雷針預(yù)防法

在上述5種方法中，前4種雖然可以徹底避免雷擊火，但其成本很高，技術(shù)含量高，危險(xiǎn)性大，還必須完全掌握出現(xiàn)雷雨天氣過程。

避雷針是18世紀(jì)50年代美國(guó)著名物理學(xué)家富蘭克林發(fā)明的。其原理是，利用避雷針高出被保護(hù)物的高度，使雷云下的電場(chǎng)發(fā)生畸變，從而將雷電電流吸引到避雷針，再通過引下線和接地裝置導(dǎo)入大地，使被保護(hù)對(duì)象免遭雷電直擊。將傳統(tǒng)的避雷器方法引入森林預(yù)防雷電之中，也較為適合森林避雷。在易遭受雷擊點(diǎn)設(shè)置各種不同結(jié)構(gòu)的避雷裝置來預(yù)防雷擊森林火災(zāi)，一般是在林區(qū)的雷擊區(qū)的制高點(diǎn)安裝富蘭克林避雷針進(jìn)行防護(hù)。此方法的特點(diǎn)是，避雷針造價(jià)較低，安裝簡(jiǎn)單，預(yù)防時(shí)效長(zhǎng)，可以長(zhǎng)時(shí)間使用，尤其適宜區(qū)域較小的林區(qū)。在安裝前，根據(jù)閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和雷擊火實(shí)際發(fā)生統(tǒng)計(jì)，劃出雷電出現(xiàn)的路徑和雷擊火多發(fā)地、多發(fā)帶，確定安裝避雷設(shè)施的區(qū)域范圍。大興安嶺有眾多的山嶺，原始森林樹高20 m以上，林區(qū)內(nèi)有防火專用的瞭望塔。因此，可以利用這些有利條件，在山頭、高大樹木頂端、瞭望塔架設(shè)避雷針，組成一個(gè)龐大的避雷網(wǎng)。

2.2 人工引發(fā)雷電技術(shù)

根據(jù)國(guó)際國(guó)內(nèi)有關(guān)防雷標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)避雷針保護(hù)范圍確定的方法是滾球法，它基于雷閃數(shù)學(xué)模型即“電氣-幾何”模型。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，林區(qū)傳統(tǒng)避雷針在森林的保護(hù)范圍滾雷球半徑可為60 m（森林防雷等級(jí)按三級(jí)防雷等級(jí)計(jì)算）或取100 m（森林防雷等級(jí)按露天堆場(chǎng)防雷等級(jí)計(jì)算），其對(duì)應(yīng)的林區(qū)地面最大保護(hù)區(qū)半徑分別為60 m或100 m，因此單只避雷針的保護(hù)范圍與林區(qū)所需要保護(hù)的森林面積相比非常有限，并且我們不可能在林區(qū)每隔100 m左右就安裝一個(gè)避雷針。所以，在林區(qū)雷電防護(hù)中采用傳統(tǒng)避雷針“電氣-幾何”模型對(duì)保護(hù)對(duì)象為巨大面積的森林的保護(hù)范圍是有限的。采用避雷針、避雷線和避雷器等防雷措施，只適用于固定地點(diǎn)和較小范圍的雷電防護(hù)，對(duì)于森林防雷擊火等大范圍長(zhǎng)時(shí)間的雷電防護(hù)，上述常規(guī)防雷措施就受到一定局限。

20世紀(jì)60年代美國(guó)學(xué)者在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，快速引入強(qiáng)電場(chǎng)中的細(xì)金屬絲會(huì)導(dǎo)致?lián)舸┓烹姡⑻岢隽巳斯ひl(fā)雷電的設(shè)想。此后用向雷暴云發(fā)射拖帶細(xì)金屬導(dǎo)線的方法成功地實(shí)現(xiàn)了人工引發(fā)雷電。法、日、美以及中國(guó)的學(xué)者先后都進(jìn)行了人工引雷實(shí)驗(yàn)及綜合測(cè)量，取得了令人鼓舞的結(jié)果。

人工引發(fā)雷電有兩種觸發(fā)方式。向雷暴云發(fā)射拖帶接地細(xì)金屬絲火箭的人工引雷方式稱為傳統(tǒng)觸發(fā)方式。這種方式引發(fā)的雷電類似于地面高建筑物激發(fā)的上行雷。通常是根據(jù)地面電場(chǎng)及其變化趨勢(shì)來確定火箭發(fā)射的時(shí)機(jī)，火箭發(fā)射前的地面電場(chǎng)值一般在4～10 kv/m之間，火箭觸發(fā)高度（即人工引雷成功、主放電通道形成時(shí)火箭上升的高度）一般在200～400 m左右。由于近距離自然閃電發(fā)生后會(huì)降低環(huán)境電場(chǎng)，以及從火箭點(diǎn)火到升至觸發(fā)高度需要一定時(shí)間（2～3 s），在自然閃電相對(duì)稀疏時(shí)發(fā)射火箭比閃電頻繁時(shí)更易于觸發(fā)成功。當(dāng)火箭離開地面上升時(shí)，在其拖帶的細(xì)金屬絲頂端會(huì)激發(fā)起上行先導(dǎo)，在適宜的環(huán)境電場(chǎng)下，上行先導(dǎo)將以105 m/s的速度向雷暴云底部自動(dòng)傳輸。先導(dǎo)電流使金屬絲燒熔汽化，當(dāng)它到達(dá)雷暴云底部的電荷區(qū)時(shí)，就在雷暴云和大地之間建立了放電通道，并激發(fā)持續(xù)時(shí)間數(shù)十至數(shù)百毫秒的連續(xù)電流，稱為初始連續(xù)電流過程。在雷暴云底部為正電荷集中區(qū)的情況下，人工引發(fā)雷電一般在初始連續(xù)電流過程之后即行終止，放電的峰值電流一般在千安上下；但在雷暴云底部為負(fù)電荷的情況下，初始連續(xù)電流過程之后，可能會(huì)發(fā)生數(shù)次直竄先導(dǎo)及繼后回?fù)暨^程，放電的峰值電流可達(dá)數(shù)十千安，放電持續(xù)時(shí)間一般在數(shù)百毫秒甚至一秒以上。這些過程和自然閃電的同類過程是完全相似的。

20世紀(jì)90年代以來，又進(jìn)一步發(fā)展完善了所謂“空中觸發(fā)”技術(shù)。即火箭拖帶細(xì)金屬絲的下端不直接接地，而是通過一段數(shù)十至數(shù)百米的絕緣尼龍線再和地面連接。這樣當(dāng)細(xì)金屬絲被火箭帶到空中后，在其上端及下端與尼龍線的連接處會(huì)在雷暴云電場(chǎng)作用下分別激發(fā)起上行和下行先導(dǎo)，它們?cè)诃h(huán)境電場(chǎng)作用下分別向雷暴云和地面雙向傳輸。在雷暴云底部為負(fù)電荷的情況下一般是先產(chǎn)生上行正先導(dǎo)，隨后（一般在幾毫秒之內(nèi)）產(chǎn)生下行負(fù)先導(dǎo)，它和自然雷電的下行先導(dǎo)相似，當(dāng)其接近地面時(shí)，會(huì)在地面突出物上激發(fā)起上行迎面先導(dǎo)，進(jìn)而產(chǎn)生類似自然閃電回?fù)粢粯拥膹?qiáng)烈放電過程。用空中觸發(fā)方式引發(fā)的雷電其性質(zhì)接近于自然下行雷電，更適宜于研究它和地面目標(biāo)物相互作用的機(jī)理和過程。

實(shí)驗(yàn)表明，人工引發(fā)雷電有可能成為對(duì)雷暴天氣過程進(jìn)行人工影響的有效手段。自然對(duì)地閃電發(fā)生后一般伴隨有所謂降雨傾瀉現(xiàn)象，對(duì)云閃頻繁而很少發(fā)生自然地閃的冰雹云人工引雷成功后一般可以產(chǎn)生降水突增、而冰雹云發(fā)展得到抑制或減弱的作用。和常規(guī)的播撒催化劑方式比較起來，人工引雷可以認(rèn)為是“電催化”方式，具有作用時(shí)間快、影響范圍大的特點(diǎn)，因?yàn)槔纂娡ǖ涝谠苾?nèi)的傳播速度可達(dá)100 km/s以上，通道的樹枝狀分布及其產(chǎn)生的高電場(chǎng)可以吸附大量的云滴及雨滴[2]。

在雷電防護(hù)方面，利用人工引雷技術(shù)可將雷電引到安全區(qū)，但首先要解決的問題是進(jìn)一步提高引雷成功率，國(guó)內(nèi)外目前的水平在60%左右，這需要進(jìn)一步研究確認(rèn)閃電產(chǎn)生的條件，包括電場(chǎng)、電荷或其他有關(guān)的空間條件，同時(shí)要準(zhǔn)確探測(cè)空中電場(chǎng)強(qiáng)度及其演變特性，由于近地面空間電荷層的屏蔽作用，僅靠地面電場(chǎng)的測(cè)量是難以了解空間電場(chǎng)特性的，這樣的引雷必然具有一定的盲目性。

3 人工抑制閃電的雷電防護(hù)方法

為了減少閃電引發(fā)森林火災(zāi)和確保空間飛行器發(fā)射時(shí)段免遭雷電閃擊，常采取抑制并削弱云中雷電活動(dòng)的人工影響措施。在20世紀(jì)60年代人類為減少和抑制自然雷電閃擊的危害，提出并試驗(yàn)通過了人工影響天氣的方法來減少閃電的危害，但同時(shí)又不能破壞全球的電平衡[3]。

（1）在雷暴云內(nèi)播撒人工冰核，加強(qiáng)云閃冰晶化過程，以削弱起電機(jī)制的功率[3]。基于云中強(qiáng)起電效應(yīng)與冰晶的結(jié)凇、過冷水滴和冰晶3者共存態(tài)之間的緊密正相關(guān)，當(dāng)過冷水滴或冰晶的數(shù)濃度減少時(shí)，起電功率就明顯降低這一客觀事實(shí)。通過向雷暴云中播撒大量冰核，增強(qiáng)云體冰晶化，將增大云內(nèi)傳導(dǎo)電流，減弱云中電荷積聚率和改變?cè)崎W電荷分布。檢驗(yàn)表明，在播撒Agl的雷暴中，比未播撒的雷暴云，地閃減少66%，云內(nèi)減少50%，催化雷暴的最大云地放電率和一定時(shí)段放電次數(shù)均偏小。特別是催化雷暴的平均閃電活動(dòng)期有較明顯縮短，放電平均持續(xù)時(shí)間也縮短，顯著水平較高，這無疑對(duì)減少森林雷擊火是有益的。

（2）對(duì)雷暴云中強(qiáng)電位梯度區(qū)播撒金屬箔針（表面鍍金的玻璃纖維針狀物），以增加雷暴發(fā)電機(jī)的損耗（通過電暈放電）[3]。對(duì)雷暴播撒金屬箔針的目的，在于使金屬箔針成為電暈放電觸發(fā)體，以降低云內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度，使之低于發(fā)生閃擊所應(yīng)達(dá)到的電場(chǎng)強(qiáng)度值。電暈放電增大了云體的導(dǎo)電率，降低了雷暴發(fā)電的負(fù)荷。試驗(yàn)表明，播撒金屬箔針后，云內(nèi)閃擊就較快地趨于消失，而未播撒的雷暴云中未出現(xiàn)此類現(xiàn)象。

［1］李良福，胡懷林.森林雷電防護(hù)研究［M］.北京：氣象出版社.2004.

［2］郄秀書，馬啟明，張義軍，等.中國(guó)氣象發(fā)展戰(zhàn)略.

［3］中國(guó)氣象局科技發(fā)展司.人工影響天氣崗位培訓(xùn)教材［M］.北京：氣象出版社.2003.