闪电始发条件与人工引雷

闪电始发条件与人工引雷
雷暴云带电后，从电学上讲，它处于一种不稳定的状态。

这时在云中或地上若能始发一持续向前传输的先导，就会导致或是云中不同极性电荷之间的放电，或是云中电荷与地之间的放电，这就是雷电。

若这一持续向前传输的先导是在自然条件下产生的，由此引起的雷电就是在前几章中介绍的自然雷电；若这一持续向前发展的先导是人为产生的，由此引起的雷电就是将在本章及后两章中介绍的人工引雷。

不管是自然雷电还是人工引雷，它们都有一个始发条件的问题。

对闪电始发条件有一个初步认识是从本质上理解人工引雷的基础；反过来，通过对人工引雷初始过程进行分析又为进一步探究闪电始发条件提供了一条有效的途径。

闪电始发条件与人工引雷关系非常密切，为了方便，我们特意将这两者放在一章中进行介绍。

5.2 长间隙放电的一般始发过程
在介绍闪电始发条件时由于要涉及到一些基本放电过程，在这一节里，我们先来看长间隙放电的一般始发过程。

就放电通道长度及所中和电荷量讲，尽管雷电要远远大于室内间隙放电，但就其起始过程讲，它们应是共通的。

考虑到
早在20世纪70年代人们对室内长间隙放电的初始过程已有较全面的认识（Les Renardieres Group，1972；1974；1977），这里我们以室内棒与平板之间的长间隙放电为例介绍长间隙放电的一般始发过程。

当将棒一平板之间电压升高到一定程度时，首先将在棒与平板之间出现电晕放电。

电晕放电是一种较弱但比较稳定的放电，它只牵涉到棒顶端很小的区域。

当将棒与平板之间的电压再升高到一定值时，棒顶端处的放电会演变成沿一细通道向前传输的流光。

图5-1是一正流光向前发展时的示意图。

受光电离的作用，流光头部附近存在众多自由电子。

在流光头部强电场作用下，以这些电子为起点，将出现大量向着流光头部发展的电子雪崩。

这些电子雪崩的头部很快与流光头部汇集到一起。

由于正流光头部带的是正电，而电子雪崩头部带的是负电，流光头部的正电荷与电子雪崩的负电荷发生中和，电子雪崩只剩下尾部处的正电荷。

这些正电荷汇集到一起就会形成正流光的新头部。

正流光就是这样的形式向前传输。

测量结果表明流光通道的电离度很弱。

图5-2是一负流光向前发展时的示意图。

与正流光不同的是负流光头部处出现的电子雪崩不是向着流光头部，而是
与流光沿同一方向发展。

当有大量流光出现时，这些流光汇集到一起就会形成如图5-3所示的先导。

流光与先导本质上并没有什么太大的差别，只是两者相比，先导通道中的电流较大，因而温度也较高、电离度也较大。

测量结果表明：流光电流一般只有几十毫安，而室内长间隙放电的先导电流可达数安培，闪电的先导电流则可达上百安培。

长间隙放电涉及到的基本始发过程就是以上这些，不过在实际长间隙放电中观测到的现象要远为复杂。

这里我们来看几例实测到的先导高速摄像照片及由此得到的先导始发过程示意图。

图5-4是一例间隙为10 m、棒与平板之间加正极性开关电压时产生放电的高速摄像照片。

图5-5是根据分析这类照片得到的放电始发过程示意图，时间是从左至右。

图中的a 代表首次放电，它包含丝状流光及发光较亮的根部u（stem）。

首次放电终止后稍微间歇一段时间，二次放电发生并转变成先导（e）向前传输。

可以看到，先导顶端伴随着众多丝状流光。

正先导通道除其头部发光较强之外，其他地方发光很弱。

一般情况，正先导传输具有连续性，但有时也会出现图中所
示的再发光现象（q），从而使传输变得不连续。

图5-6是一例间隙为7 m、棒与平板之间加负极性开关电压时产生放电的高速摄像照片（Ortega等，1994）。

可以看到负先导的发展过程更为复杂。

同样，根据分析这类照片可以得到如图5-7所示的负先导发展过程示意图。

这里的a 是首次放电，A是发光较强的二次放电，二次放电的根部很快转变成先导（e）并向前传输。

离先导头部（e）不远的地方存在强烈发光点f（常称空间stem）。

从f点常常同时出现两个正好沿着相反方向传输的流光b和c。

b是正流光，它向着负电极传输，c是负流光，它沿着先导前进的方向传输。

点f伸长后演变成空间先导（g）。

当先导e与空间先导g碰到一起时，将会出现再发生现象（q），从而负先导以不连续的形式向前传输。

图中的p代表正流光b所引起的辉光电晕（glow corona）。

5.3 自然雷电始发条件
根据前一节中谈到的放电始发过程，雷电的始发实际上牵涉到两个主要基本过程：其一是初始流光的始发，其二是流光的持续传输。

在雷云中激发初始流光的因子可以很多，像水滴碰撞、分裂时都会引起水滴变形，从而加大局部畸变电场，最终触发流光。

若该流光能得以持续传输，它们就会演变成先导并引起雷电。

Phelps（1971）通过在平板电极之间引入初始流光的实验测量到：正流光持续传输所需要的环境电场大约在 6.3×105～7.4×105 V/m之间；而负流光持续传输所需要的环境电场大于8×105 V/m。

Crabb和Latham（1974）测量到由雨滴碰撞所产生的正初始流光持续传输时所需要的环境电场大约在250～500 kV/m之间。

后来，Griffiths和Phelps（1976）通过实验测量到正流光持续传输所需要的环境电场与气压之间成正比例关系，气压越低流光持续传输所需要的环境电场也越低。

当气压低到300 mbar时，该环境电场可低于100 kV/m。

不过，因为流光持续传输所需要的环境电场与湿度之间也存在正比例关系，云中湿度较大，估计在雷暴云中正流光持续传输所需要的环境电场可大到几百kV/m。

另一方面，我们知道在地面测到的雷暴云下电场值一般
不会超过每米10kV，即使在云中，通过火箭、气球及飞机测到的结果表明：云中电场至多也不过每米上百千伏，而在云的下方电场一般只有每米几十kV/m。

（Marshall and Rust，1991；Marshall等，1995）。

也有报道声称火箭及飞机偶尔会碰到每米高达三四百kV的电场，但这样的电场一般只局限于至多上百米的区域内（Winn等，1974）。

综合以上所有这些观测事实可以得出结论：雷电的先导至少在绝大部分时间是在远远低于流光持续传输所需要的环境电场中传输的。

为了进一步说明这一现象，我们来看看始于高建筑物的上行放电（Berger，1967；Uman，1987）。

很多统计结果表明，若建筑物的高度低于100 m，该高建筑物上一般不会发生上行雷；若高建筑物高于100 m，从该高建筑物顶部发生上行雷的可能性就会变得很大。

这说明雷暴环境下，高于100m的高建筑物其顶部处，由于感应产生的电场足以始发上行持续先导，最终导致上行雷电。

在作一定近似处理后，可以很容易计算出处于雷暴环境下的高建筑物顶部处的电场分布。

图5-8是一例地面处于雷暴电场为10 kV/m时，50 m 和100 m高铁塔顶部处的电场分布（Wang等，1995）。

该图的横轴是离开塔顶的距离。

可以看到随着离开塔顶距离的增加，电场将会很快变小，几米外的电场将变得与背景电场10 kV/m相差无几。

实际仅在塔顶附近数十厘米范围内的电场方超过初始流光持续传输所需要的环境电场。

分析以上事
实，不难得出结论，自然雷电始发于某一局部电场区域，同时靠这一局部强电场区域初始流光演变成可以在低电场区域中持续传输的先导，最终导致雷电。

5.4 人工引雷的定义与原理
人工引雷指的是雷暴电环境下利用一定的装置和设施，人为在某一指定地点触发的闪电。

虽然在高建筑的处有上行雷电发生，飞机等飞行物穿过雷暴电场时也可能触发雷电（Mazur，1989），水下炸弹试验产生的水柱也可引发雷电（Brook等，1961），但是由于这些闪电不是人们有意产生的，通常不把此类闪电归为人工引雷。

Newman（1958）和Brook等人（1961）最早提到人工引雷的可能性，Brook等人的室内实验结果表明：将一根导线静止放置在一定强度的电场中不会触发放电，但将导线快速引入电场中，就会产生放电现象。

他们认为若导线处于静止状态导线顶端处产生的电晕放电会对导线顶端起到屏蔽电荷层，这样在导线顶端处就有可能出现足以始发流光的强电场。

基于这些分析，他们建议在雷暴电场中快速地引入一导线就会人为地触发放电。

在前一节中我们曾介绍过100 m
以上的高建筑物可以引发上行雷电。

结合这一事实不难预测若将100 m长的导线沿着垂直方向快速引入雷暴电场中，导线顶端处的强电场就会触发一持续向上传输的先导，最终导致放电长度为数公里的雷电。

Newman等人利用火箭拖导线技术于1960年在美国最早实现人工引雷（Newman 1965；Newman等，1967）。

之后，法国、日本和中国等国家相继成功地实现人工引雷（Fienx等，1978；Horii，1982；Liu等，1994）。

目前所有的人工引雷都是利用导线成功的，其实，即使不用导线，只要能够人为产生一持续向前发展的先导，同样可以触发闪电。

5.5 人工引雷技术
5.5.1 火箭-导线人工引雷技术
用于人工引雷的所谓火箭-导线技术指的是向雷暴云发射一尾部拖一细长导线的小型火箭来触发闪电（见图5-9）。

火箭-导线技术的本质在于沿着雷暴云电场快速移动或伸长一细长导线。

在火箭-导线技术中，火箭的作用只不过是起到快速牵引或伸长导线的作用。

在实际引雷中，导线一般采用直径为0.2 mm的细钢丝或铜丝。

为了增加铜丝的机械强度及耐火强度，在铜丝外面一般包上一层类似于尼龙的kelvar。

导线的长度大约为几百米，一般被绕在一线轴上。

在人工引雷初期，线轴被安装在地上（见图5-9）。

火箭起飞时，导线也要随之一起运动，受惯性作用，导线需承受较大的张力。

为了减少这一张力，常在导线与火箭之间连接一根松紧带。

尽管这样，有时还是出现导线断线问题。

后来经改进，线轴被固定在火箭上，这样导线被拖出线轴时，导线本身并不高速运动，也就不存在惯性问题，基本上解决了导线断线问题。

人工引雷所用的火箭都是很小型的。

法国用的火箭是一种消雹用火箭，它的外壳是用塑料制成的，长度约为80 cm，半径约为10 cm，升到一定高度后可以自爆。

这种火箭的上升高度可超过1 km，起飞2 s后，最大上升速度可超过200 m/s。

日本所用的火箭是船上用来发射救生线的火箭，它的长度只有20 cm，半径只有５cm，上升高度只有300 m左右，最大速度也只有100 m/s。

我国所用的火箭是专门为人工引雷所开发的,金属壳带有降落伞，可升到１km高度，升空到几百米高度处，最大速度可达150 m/s左右（详见5.6节）。

最
近美国也专门为人工引雷开发了一种火箭，它的外壳是由塑料制成的，长约1 m，半径为5 cm，带有降落伞。

它的最大特点是只要换上火箭发动机（即药柱）可反复使用。

这种火箭的高度也可达1 km，最大上升速度约200 m/s。

图5-10分别是美国、法国及日本所用火箭的照片(见彩图插页,法国和中国所用火箭及发射架可参阅彩图9-1和图9-2。

火箭一般置于一小型火箭发射架上发射。

火箭发射架实际上是一个2～3m长的导轨。

火箭点火系统的启动，曾经有人用过无线电遥控办法，也有人用过拉线开关法，现在一般用压缩空气启动开关来点火，相对较为安全可行。

为了模拟自然雷电中下行梯线先导，近年来又有人开发出所谓高度引雷技术，它的特点是在导线与大地之间使用一根较长的尼龙线，从而使导线与大地绝缘（见图5-11）。

因为在这种引雷技术中导线被放置在一定高度上，所以称它为高度引雷技术。

为了区别起见，常把导线直接接地的技术称作经典引雷技术。

目前各国使用的尼龙线的长度不太一样，我国一般采用100 m左右，而法国所用尼龙线的长度可达400 m，尼龙线的长度越长可越真实地模拟雷电的下行梯级先导。

为了让触发的闪电击中一预定地点，常在地面处接上一根几十米长的导线。

日本还曾经试过两级火箭引雷方法（见图5-12）。

方法是等主火箭升到一定高度后启动次级火箭，导线的一端固定于主火箭，另一端从次级火箭处放出，在主火箭中安装有电流测量装置等仪器。

5.5.1.1 引雷火箭
引雷火箭是人工引雷的主要工具其外形及尺寸可与通常的防雹火箭相似，但在外弹道上又有较大的不同。

其主要区别是火箭最大速度要限在一定值以下，否则，会把导线拉断而无法引发闪电，这个速度要根据导线所能承受的最大拉力而定。

然而火箭也不能太慢，要达到一定的速度，该速度要大于带电粒子在电力作用下的迁移速度，以便火箭能冲破其尖端电晕放电产生的"离子屏蔽层"，从而产生连续流光传输，否则也不能引发闪电。

根据以上特点，引雷火箭的主要参数可定为：
火箭可达高度H≥800 m，
火箭最高速度≤190 m/s，
在主要工作段内火箭的速度范围>120 m/s<190 m/s，
火箭初速度。

以上参数是对火箭拖线力分析和估算后而提出的。

A 上升火箭受力分析
如图5-13所示，由于火箭的拖线，放线机构基本上以火箭的速度将线放出，设当火箭上升到高度为l（大致为放线量），速度为，加速度为a时，在A点（导线与火箭尾部上的铁丝连接处）将受到以下各力的作用：
（1）导线的重力：Fg=mlg，其中m为线密度=0.25g/m=0.25×10-3 kg/m；
（2）导线被加速引起的力：Fa=mlg，其中a为火箭加速度；
（3）线运动引起的空气阻力：Ff=4×10-6 dl，其中，d 为线外径（mm）；
（4）放线速度引起的力：F=2m2，
则，
假如，
则A点所受到的力FA=16.8+20+16=64.8N。

因此当选择抗拉强度为72 N的直径为0.2 mm的钢丝时，将火箭的最大速度控制在190 m/s以内是合适的。

B火箭结构及其几何参数
中国科学院兰州高原大气物理研究所采用引雷火箭的
外壳是钢制的（也在用玻璃钢甚至塑料制作的），是在原有的火箭上的一种改型。

当火箭发动机（推进剂）燃烧完成后，剩余的火箭残体（外壳）将会掉落地面，而高速下落的外壳将会对地面上的人、畜、房屋等造成一定的危险，为了将这种危险降到最低限度，解决的办法为（1）将试验地点选择在人烟稀少的野外；（2）火箭在推进剂燃烧完成后其残体由一个降落伞携带落下，以减小外壳下落时的速度和冲击力，地面的人员也可以及时躲避。

该所和南昌六二零单位及南昌长征机器厂合作研制了一种新型的带抛伞装置的安全型人工引雷火箭"YL-56型引雷拖线火箭"，其结构及外形见图5-14。

火箭几何参数如下：
直径：56 mm，
长度：490 mm，
重量：4 kg，
燃烧时间：2.15 s
射程：800~1000 m
推进剂：双铅-2管状双基药。

火箭下部为发动机，上部装降落伞，降落伞面积为1 m2，
降落速度为5 m/s，发动机点火升空时抛伞延时导火索同时点燃，当火箭飞行到最高点时，导火索点燃抛伞药将火箭弹头与箭体分离，降落伞抛出。

这种火箭于1992年通过了航天部的鉴定，为国内首创，几年来的使用证明，该火箭性能稳定、可靠，已在国内人工引雷试验中使用了多年。

原则上，国内完全有条件研制更安全合理的火箭，其主要制约因子是批量。

由于所需批量极小，改型可能是最经济的方案。

以下有关内容即以中国科学院兰州高原大气物理研究所的做法为例进行叙述。

5.5.1.2导线及绕线方式
引雷用的导线必须具备以下条件：①要有足够的抗拉强度；②导线要细，重量要轻，以减轻火箭的负荷；③导线表面要光滑，以减小飞行时的阻力。

根据以上条件，现选用的导线是直径0.2 mm的细钢丝，耐拉力为72 N，重量为0.25 kg/km，表面光滑，满足使用要求。

为了使火箭顺利地将导线带上天空，导线要绕在一个线轴上，线轴可大可小，但太小不宜拉线，太大不宜绕制一般以直径150 mm，高度50 mm为宜。

线轴的绕制是一项比较精细的工作，是人工引雷技术中一个重要的环节，绕线质量
的好坏直接关系到拉线的成功率，绕线时每一层导线要密排绕，每圈之间不容许有空隙，以及上一层导线嵌入下一层导线里去，否则放线时易将线拉乱而断线；每一层导线绕好后还要涂一些快干胶将导线稍稍粘住，以免导线松脱造成乱线而被拉断，最外层导线要粘牢一些，但粘接力要小于耐拉力。

绕线时还要注意放线时的扭转力。

5.5.1.3 点火系统
人工引雷的火箭点火如果采用通常的点火办法将是十分危险的（萧庆复，1991），因为引雷成功后闪电可能会沿点火导线到达发射控制点从而危及工作人员的安全。

因此，发控点与发射点之间不能有任何导线连接。

安全的点火办法是遥控点火，通常有三种遥控方式，即无线遥控、拉线开关遥控和气动开头遥控。

无线遥控虽然安全，但由于接收机易受闪电干扰而造成误触发，同时引雷成功后闪电可能会造成接收机的损坏，故不宜采用。

拉线开关遥控点火安全、可靠，且成本低廉，但因为发控点与发射点之间大约有70~100 m 的距离，这样长距离的拉绳，安装时对地形的要求较严，两点之间须平坦、无障碍物、无灌木等带刺的植物，以便顺利地牵动拉绳，并要有防人畜侵入措施。

故采用这种方法要视情况而定。

一般也不宜采用。

而最安全可靠的是气动开关点
火，这是由空气压缩机-电磁阀-输气管-气动开关-点火电源等部件组成的点火系统（见图5-15）。

由于采用了输气管，发控点与发射点之
间没有任何电连接；由于采用气动元件，当没有高压气体或压力不够时均不能打开点火开关，做到了火箭点火的安全和可靠。

同时气动开头在关闭时是将火箭电爆管短路（开头打开时接通电源），故一发火箭引雷成功后不会发生将其他待发火箭点燃升空的情况，避免了火箭的损失和引雷机会的丢失。

5.5.1.4 点火时机的选择
点火时机的选择对触发闪电成功与否是至关重要的，关键是上升的拖线火箭能否触发上行流光并持续向上传输，这取决于雷暴云本身的电荷分离情况以及雷暴云下火箭附近的电特征。

由于目前缺乏遥感空中电参量的测试手段，时机的选择主要还是依靠地面大气电场的监测，根据测到的场面电场值来决定是否发射火箭。

但不同的地区此阀雷电越易获得成功。

然而地面电场值并不是唯一的判据（张义军，1992），
另一个方面也是比较重要的，那就是工作人员的经验，要看雷暴云的主体是否通过和接近雷点，云的强弱、高低是否适宜发射火箭等等，然后与地面电场判据相结合以决定是否点火，不然，引雷成功率将很低。

5.5.1.5 监测和测量系统
人工引雷试验主要是用于研究闪电的各种放电过程，例如预放电过程、先导过程、回击过程以及闪击间的一些放电过程，其中包括连续电流、J过程和M过程等，因此在闪电的触发过程中需要同步测量这些过程的光、电、磁特征，所以需要有各种监测和测量设备。

监测仪器主要有以下几种。

①雷暴警报器：可以测出几十公里远的雷暴云在5分钟内闪电频数的变化情况；②DF-闪电定位仪：可以测出几百公里远的闪电强度、闪电方位及移动方向。

这两种仪器的监测可以决定试验人员是否需要进入人工引雷试验的准备状态。

③大气电场仪：可以测出10 km 范围反内雷暴云的地面电场强度、极性及其变化情况，以决定是否进入发射状态。

当然如果条件许可最好配备雷达设备，这样雷暴云的各种参数如云的高度、厚度、方位、强度、移动方向、移动速度等均可了如指掌，是指挥人工引雷试验的最好监测。

测量仪器主要有以下几种。

①同轴分流器：这是测量闪电电流的主要设备，放置在引流杆的下端，人工引雷击中引流杆后通过同轴分流器到地。

中国科学院兰州高原大气物理研究所现用的分流器电阻为5.47 mΩ，可以测量高达100 kA的电流，闪电电流经过E/O变换通过光纤传输到发控室，再经过O/E变换进入波形存储设备。

②电场变化仪：可以测出闪电放电过程的细节。

③磁天线：可以测出闪电的磁场变化，并可反演出触发闪电的放电特征。

④闪电电流磁带记录器：可以测出闪电的峰值电流。

高速大容量数据采集系统及高速大容量智能化闪电波形存储器等现代化的设备，可以记录人工闪电的大量电流、电场、磁场等各种数据及其波形，以便对人工引雷进行仔细的分析和研究。

光学测量设备主要有以下几种：①数字化高速摄像系统：可以拍摄1000幅/s或10 000幅/s的闪电数字图像，这对研究闪电的微细结构及闪电的发生、发展过程是必不可少的设备（王才传等，1998a，b，c）。

②普通"摄像机"和"普通照相机"：可以拍摄人工引雷的宏观图像和照片，以便分析人工引雷的光学特征（刘欣生，萧庆复，1998）。

在实验中可以根据不同的研究内容配备不同的测量仪器。

例如，在实验中还使用过自制的干涉仪等设备。

在国外，在整个空间上布置有更多的设备。

5.5.1.6 人工引雷设施的安装及试验场的布局
人工引雷试验的地点一般选择在远离城市人烟稀少的野外，以火箭发射点为中心1 km范围内应无村庄及高压线。

前述火箭的发射架的导轨由两根长1.8 m宽50 mm的合金铝槽组成，火箭架下部装有气动开关点火器。

同轴分流器装在一个法拉第铁笼内，上面接有引流杆，围绕法拉第铁笼四周安装火箭发射架，火箭尾部线轴上的导线与引流杆相连接，以便使人工引雷顺利地击中引流杆，通过同轴分流器测出人工引雷的电流及其波形。

图5-16是人工引雷试验布局示意图。

在离发射架70~100 m的地方建一观测室（发控点），内有空气压缩机、电磁阀门等发射火箭的气动点火系统，有测量闪电电流的光电转换器（O/E）及记录系统--波形存储器，有大气电场仪、电场变化仪、干涉仪等仪器，还有摄像机、照相机等光学仪器。

输气管和光纤埋入地下一直通到发射点，观测室仪器的电源由一台5 kW的发电机供给。

为了避免人工引雷可能对观测室造成危害及其他问题，观测室要用金属网屏蔽并可靠接地。

在离发射架1000 m远的地方建有一远方观测室，它对。