火箭拖线型人工引发雷电及其先导发展过程.pdf

￡! ￡星丛￡12 Q Q 5 』亡尘H火箭拖线型人工引发雷电及其先导发展过程郄秀书刘欣生张广庶肖庆复张其林中国科学院寒区旱区环境与工程研究所雷电与雷暴实验室，甘肃兰州7 3 0 0 0 0摘要：本文介绍了利用火箭拖带细金属导线进行人工引发雷电的专门技术和雷电的发展过程空中人工引发雷电中存在三种先导过程，当携带金属导线的火箭上升到几百米高度时，在金属导线的上端和下端分别激发向上和向下的正、负先导( 双向先导) ，当向下的负先导接近地面时，一个向上的正连接先导由地面激发，正负先导的平均传播速度为0 ．8 6 X1 0 5 m ／s ，随着向下负先导的接地，将产生一个小回击过程，而由金属导线上端激发的向上正先导的传播速度为1 ．1x1 0 5 m ／s 人工引雷的放电特征与自然闪电有极大的相似性，放电电流可达2 0 k A 以上人工引发雷电是在一定的雷暴电场条件下，利用拖带细金属导线的专用小火箭向雷暴云体发射以诱发雷电的专门技术人工引雷技术可分为两种，一种是地面触发方式，即火箭拖带的导线与大地直接相连，另一种是空中触发方式，即火箭拖带的导线通过一定长度的尼龙线与大地绝缘地面引雷方式如图1 a 所示。

假定火箭以1 0 0 —2 0 0 m ／s 的速度上行于由当顶负电荷所控制的环境电场中，当火箭上升到一定高度时，火箭尖端的环境电场将满足正先导的激发阈值，这时火箭的头部将激发向上传播的正先导，先导持续向上发展，并产生持续几百毫秒的连续电流进而可引发一个或几个由云向下的先导／向上的回击资助项日自然科学基金“1 五”重点项目( 4 0 1 3 5 0 1 0 )，9 9过程，即大电流的主放电过程图1 人工引雷方式原理示意图( a ) 地面引雷方式，( b ) 空中引雷方式空中引雷方式如图1 b 所示火箭上升过程中，线轴首先释放出一定长度的接地导线，接着释放出1 0 0 m 一4 0 0 m的绝缘尼龙线，最后再一次释放金属导线后者更加真实地反映了自然雷电的发展情况，并可在一定程度上模拟自然闪电先导的接地行为一、测量设备简介在引雷点附近设有远、近两个观测点，每个观测点都设有监视雷暴活动情况的场磨式电场仪，测量闪电产生的快、慢电场变化的快天线电场变化仪和慢天线电场变化仪，以及确定闪电光学图像的静止照相和普通摄像等，除了这些基本的测量仪器外，还有雷电流测量装置、跨步电压测量系统、磁场测量装置以及V H F 宽带闪电干涉仪定位系统、1 0 0 0 幅／秒的高速摄像系统等。

二、人工引发雷电特征图2 a 是1 9 9 6 年6 月4 日1 5 ：3 0左右在江西南昌石岗地区利用普通照相机拍到的一次引雷照片，拍摄距离7 6m 这次引雷发生于火箭上升到1 4 5 m 左右的高度时由于地面风场很强，I 刈道有很明显的横向移动，拍摄到的照片类似于条纹照相的效果由图片上的亮条纹数，可以推断这次放电过程包含有5 次回击过程放电通道底部的电流记录也证实了这一点，本次雷电电流峰值超过2 0 k A 2 0 0由于拍摄距离很近，照片上可以很清楚地看到火箭发射装置从照片中可以看出大铁笼下端地面有一条先移向观察者后又向左侧弯曲的发光带这是主放电通道电流在地面上的横向流动所造成的它会在地面上形成很大的跨步电压闪电通道附近强大的电流及电磁效应可以对其周围的设施及仪器装置等产生破坏性影响图2 两次不同引雷方式引发的雷电( a ) 地面引雷方式( b ) 空中引雷方式图2 b 是利用普通摄相机拍摄到的～次空中引发雷电的放电过程，图片中显示的是放电过程中的一幅画面这次引雷实验中，火箭携带的线轴首先拉出约1 0 0 m 的绝缘尼龙线，尼龙线下端固定在4 m 高的接地引流杆上，火箭上升到3 5 0 m 高度时，引雷成功，这次放电共有9 次回击过程，持续时间超过1 s 。

图片中离地面1 0 0m高度处为细钢丝和尼龙线的连接点，连接点上下闪电通道发光度有明显不同上面强的发光是由细金属丝汽化通道造成的，下面较弱的发光则是放电直接离化空气而形成的在离地面3 5 0 m 以上，闪电放电通道呈弯曲状，这是由火箭头部产生的自持先导电离空气形成的放电通道，类似于自然闪电的放电通道本次雷电电流峰值超过3 0 k A 三、空中人工引发雷电的先导过程图3 a 、b 分别给出了在距引雷点6 0 m和1 3 0 0 m 两个距离上所测量到的一次空中引雷电场变化波形图3 a 中，电场变化首先从爿点开始减小，到B 点开始基本保持不变，而近处的电场变化一直缓慢增加，表明从金属导线尖端激发产生的向上正先导开始连续传播随着这一正先导的发展，金属导线下端的负电荷进一步累积增加从图3 a的时间展开图中发现，仰段以梯级形式减小，梯级数为1 1 个，1 0 ％～9 0 ％的下降时间小于lus ，梯级之间的时间2 0 l间隔平均为2 01 2s 这是由于在初始阶段火箭尖端的电场强度不大，先导或流光激发后不能持续传输，从而形成一系列小梯级此后随着电荷在金属导线上下两端的累积，电场变化变为连续图3 一次空中引发雷电的电场变化记录 ( a ) 6 0 m 处：( b ) 1 3 0 0 m 处从占点开始图3 a 中的电场变化基本不变。

从距曰点0 ．8 r n s 之后的c 点开始，图3 b 中的电场变化明显增加，由此推断此时向下的负先导开始持续发展在腰段，两站的电场变化中均叠加有大量小脉冲，同时图3 b 中腰段电场变化增加的斜率比凹段要大，表明随着向下负先导接近地面，一个向上的正先导开始由地面激发并向上传输，与向下的负先导会合当两个先导连接时，在D E 段的后部产生了小回击过程，并引起电场的快变化连接过程大约持续了0 ．4 m s ，而从f 点到F点，向下的负先导和向上的连接正先导在1 ．2 8 m s 的时间内传播了1 l o m ( 尼龙线长度为1l O m ) ，其平均传播速度为0 ．8 6 ×1 0 m ／s ，在自然闪电中负先导的平均传播速度下限为1 ．0 X1 0 5 m ／s ，两者比较接近，且与人工引发雷电中正先导的光学观测结果一致o “四、结语人工引发雷电特别是空中引发雷电提供了一个近乎完全真实的自然雷电模拟源，利用多种高时间分辨率的测量技术对人工引雷放电参数进行综合测量，可以揭示雷电正、负先导的极性激发、传播特性以及雷电与地面目标物的连接等物理过程，对雷电防护技术的发展和应用具有重要的意义在空中人工引发雷电过程中，当携带金属导线的火箭上升到几百米高度时，首先有一个典型的双向先导过程在金属导线两端被激发，随着向下负先导的接地，将产生一个小回击过程。

由金属导线尖端激发的向上正先导在初始阶段呈不连续的脉冲型，脉冲间隔为2 0uS ，上升时间小于1uS 当向下的负先导接近地面时，一个向上的正连接先导由地面激发，J 下负先导的平均传播速度为0 ．8 6 > ( 1 0 j m ／s 随后发生的小回击过程在金属导线底端和地面之间产生了最强的光辐射，光辐射从地面以1 ．2 ×1 0 8 m ／s 的速度向上传播而由金属导线尖端激发的向上正先导的传播速度为1 ．1X1 0 j m ／s 这些参数都在自然闪电观测结果的范围之内参考文献1 ．N e w m a n ，M ．，J ．R ．S t a h m a n n ，J ．D ．R o b b ，e ta 1 ．，T r i g g e r e d1 i g h t n i n gs t r o k e sa tv e r yc l o s er a n g e ，J ．G e o p h y s ．R e s ．，1 9 6 7 ，7 2 ：4 7 6 1 —4 7 6 4 ．2 ．L i uX i n s h e n g ，C a i w e iW a n g ，Y i j u nZ h a n g ，e ta 1 ．，E x p e r i m e n to fa r t i f i C i a lt r i g g e r i n g1i g h t n i n gi nC h i n a ，J ．G e o p h y sR e s ．，1 9 9 4 ，9 9 ：1 0 7 2 7 一1 0 7 3 1 ．3 ．L a l a n d eP ．，A ．B o n d i O U —C l e r g e r i eP ．L a r o c h e ，e ta 1 ．，L e a d e rp r o p e r t i e sd e t e r m i n e dW i t ht r i g g e r e dli g h t n i n gt e c h n iq u e s ，J ．G e o p h y s ．R e s ．，1 9 9 8 ，1 0 3D ( 1 2 ) ：1 4 1 0 9 一1 4 1 1 5 ，。