快看雷电版“定海神针”

2021-01-22 02:01土豆泥
科学大众·小诺贝尔 2021年9期
关键词:定海神针球状雷雨

土豆泥

在漫威电影中,雷神有一把非常厉害的锤子。这把锤子有一个大招——召唤雷电,本来威力就很大,再加上雷电的攻击,一般的反派都扛不住,就连灭霸都被这把锤子锤得不轻。而在现实中,科学家也研制出了拥有这种神奇能力的装置,能够把雷电召唤出来,并让雷电到达指定地点,这种装置就是神奇的人工引雷装置。

雷电的诞生

在介绍人工引雷装置前,我们先来看看雷电是如何出现的。传说中的雷公、电母自然是不存在的,下雨天会出现雷电是因为这时候天上出现了两个派别的云,一个派别带正电荷,另一个派别带负电荷。这两个派别的云在风的作用下相遇时会出现放电现象,这就是我们平时看到的雷电。云层在放电的同时还会放出大量热量,这些热量导致周围气温急速上升,气体迅速膨胀。这些气体在快速移动的过程中会产生极大的冲击力,并发出巨大的声响,这就是我们听到的雷声。

现实版雷神之锤

讲完了雷电的产生,咱们重点来说说人工引雷。所谓人工引雷,简单来说,就是制造一把现实版的雷神之锤,在雷雨天召唤出雷,并把它们引到指定位置进行科学实验。当然,现实中用来召唤雷电的不是一把大锤子,而是由引雷火箭等设备构成的一套引雷装置。在雷雨天,引雷火箭会拖着金属导线快速上升,当上升到一定高度时,就会把雷电召唤出来,并让这些雷电沿着金属导线直线而下。这些雷电会在空中留下一道闪亮的光柱,远远看去,就像是一根立在天地之间的定海神针。

知识补丁:富兰克林徒手引雷?

说起引雷,相信不少人会想到富兰克林放风筝的故事。故事大概是这样的:有一天,阴云密布,电闪雷鸣,美国著名科学家富兰克林在室外放飞了一个风筝,并在风筝线的末端系了一把铜钥匙。在大风的作用下,风筝很快就飞到了高空,富兰克林突然感觉手麻木了,他赶快把手指靠近铜钥匙,接着铜钥匙上就射出了一串火花。这个故事虽然听起来有理有据,却不可能是真的。雷电出现时释放的电流很强,能达到几十千安甚至上百千安,这么强的电流通过人体,人体内部的器官根本承受不了。另外,雷电放出的热量也足以让人致命。所以,如果富兰克林真的被雷电击中,他受到的伤害不可能仅仅是手被电麻,除非他有雷神的超能力。

1地表的高温空气上升至高空,产生强对流现象,导致积雨云的形成。

2积雨云的上层带有正电荷,下层则带有负电荷。

3由于积雨云内上下之间电4荷的积累,温度差越大,

电位差也越来越高。大地带正电,此时,容易产生放电现象。

4电荷击穿空气形成离子通道时,形成闪电。

召唤雷电没那么简单

发射一个火箭就能召唤出雷电,如此简单,岂不是每个人都有做雷神的潜质。看起来确实如此,但如果真正操作起来,你会发现召唤雷电远没有想象中的那么简单。

首先,引雷不是一个火箭就能搞定,还需要各种地面设备配合。在选定地点后,试验人员通常需要忙碌好多天架设各种引雷設备。另外,对火箭和拖拽的金属导线也有要求。金属导线既要身材纤细,减少火箭负担,又要有足够的抗拉强度,不能被轻易拉断。火箭则要保持一个恰当的上升速度,上升太快容易把金属导线拉断,上升太慢又很难引发雷电。其次,空中电场情况难估测,并不是任何时间都能引发雷电。一般来说,空中的电场强度要达到每米百千伏的量级才能发生放电,现有手段无法直接探测云中的电荷和空中的电场强度,只能通过测量地面的电场强度来推测空中的电场情况。然而,受地面设备、地形、降水等因素的影响,试验人员很难准确估测空中的电场情况,这无疑增加了人工引雷的难度。最后,由于雷电的电压非常高、电流非常强,人工引雷必须做好安全防护,在发射火箭进行人工引雷阶段,所有试验人员必须待在一个牢固可靠、有良好的屏蔽和接地的金属方舱内,严格遵守规章制度和操作规范,不能有半点马虎。

此外,火箭的质量、发射的时机、发射过程中有无自然雷电等因素都会影响人工引雷的成功率,想要成功召唤雷电真的没那么简单。

为何要人工引雷

既然引雷这么麻烦,为什么还要耗费大量人力、物力去召唤雷电呢?相信对于这个问题,很多人想到的都是把引来的雷电储存起来作为电能利用。想一想,雷电的电流那么强,峰值时能达到几万安培,如果能把大量的雷电引到指定地点,既可以避免雷电灾害,又能作为清洁能源使用,确实是件一举两得的好事。

可理想很美好,现实却很无奈。我们对雷电的关注几乎都集中在雷电产生的电流强这一点上,却忽略了雷电持续的时间往往非常短,一般只能持续数十微秒。在这么短的时间内,雷电实际能够产生的能量远比我们想象中的要少。另外,尽管全球每年有十多亿次雷电出现,但它们分布于世界各地。再加上雷电出现的时间不固定、对收集设备要求高等原因,想收集到大量电能,让雷电变成像太阳能、风能一样的清洁能源,目前还不现实。

既然人工引雷目前还不能让雷电变成能源加以利用,为什么还要大费周章地召唤雷电呢?答案是用于科学研究。所谓知己知彼,百战不殆。通过对人工引雷得到的雷电模拟源的研究,人们有望研制出更加先进的避雷装置,降低雷电灾害。此外,未来人工引雷还可能在人工降水、人工育种等方面发挥重要作用,很值得期待。

人工引雷,我们是认真的

这么有前途的技术,我国自然不会错过。其实,早在20世纪80年代,在老一辈科学家的带领下,科研人员就开始召唤雷电了。经过30多年的发展,我国在人工引雷方面取得了很大的进步,不仅有了专用的引雷试验场、引雷火箭等,随着经验的积累和探测手段的丰富,引雷的成功率也有了大幅提高。目前,世界上只有包括中国、法国、美国等在内的几个国家掌握了人工引雷技术。毫无疑问,我国在这项技术上已经走在了世界前列。相信随着技术的进步,对这种杀伤力极大的自然现象,我们一定能找到更好的控制方法,让它更好地为人类造福。

雷电防护小贴士

当然,在雷电被更好地控制之前,我们对它还得采取一些防护措施。雷电一般比较青睐单独的高建筑,所以出现雷雨天的时候,如果你在室外,要尽快躲到有避雷设施的建筑物、汽车、山洞等地,远离铁塔、烟囱、电线杆和大树,也尽量不要到孤立的棚子和小屋里躲避。尽管它们不是很高,但单独突显出来的它们也容易成为雷电攻击的对象。如果你的周围没有建筑物,就赶快找个地势较低的地方蹲下来,头部尽量放低,不要让自己成为攻击目标。另外,也尽量不要拨打或接听电话,避免手拿金属物品在雷雨中停留。如果雷雨来临时你在室内,就要尽量做到把雷电拒之门外。关闭窗户,防止雷电从窗户进来;不使用太阳能热水器,以免雷电顺着管道进来;关闭室内的电磁设备,它们同样有可能引来雷电;尽量远离窗口,不接触窗户的金属护栏,不给雷电可乘之机。

需要说明一点,出现在自然界的雷电尽管破坏力很大,但它们对我们也有有益的一面。首先,最初地球上甲烷、二氧化碳、水等有机分子的出现就有雷电的功劳,它们为生命的起源作出了贡献;其次,雷电出现时,会把空气中的一部分氧气变成臭氧,而臭氧对空气有杀菌、消毒的作用,雷电也算是间接做了个清洁卫士;最后,雷电还能让大气中产生天然氮肥,这些氮肥会让土壤变得更肥沃。

知识补丁:神出鬼没的球状闪电

在雷电大家族中有一个非常神秘的成员,它的名字叫球状闪电。因为身世神秘,科幻作家刘慈欣还以它为主角写了一部长篇小说。

球状闪电打破了我们对雷电的常规认识。比如,它没有常规雷电的纤细身材。球状闪电的身体呈圆球形,大小不定,有时候只比拳头大一点,有时候却堪比足球。它可以有多种颜色,除了较为常见的橘黄色、红色,有时还会呈现紫色、蓝色、亮白色等光环。它不会像常规雷电那样闪现,通常可维持数秒,有时甚至可以存在1~2分钟。如果球状闪电不是经常在雷雨天出现,恐怕雷电家族都不会承认它的身份。

除了跟常规雷电有明显区别,球状闪电还总让人感觉很神秘,难以捉摸。首先,它来无影去无踪,不一定什么时候就出现在了你的视野里,然后又消失不见。其次,球状闪电行动诡异,它可能在空中静止,也可能漫无目的地游荡;可能随着风前进,也可能逆风而行;可能水平移动,也可能上下窜动,总之毫无规律可言。最后,球状闪电的破坏力也是未知的,有时候会悄悄消失,就好像从未出现过;有时候却会发出惊人的爆破力,仿佛想让更多人知道自己来过。

需要说明的是,因为球状闪电极为罕见且难以捕捉,目前科学家对它的研究还很有限。可以说,现在的球状闪电在大家眼里依旧是谜一般的存在。当然,球状闪电的身世不可能一直这么神秘,人们现在已经能召唤雷电了,随着科技的发展,说不定哪天就找到了研究球状闪电的办法,让球状闪电不再神秘。

(责任编辑:陆艳)

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