即时新闻

  • 人工引雷成功实现不容易

        郝非尔

        新闻背景

        近日,一个小视频在网上流传:在轰隆隆的雷声中,一道道雷电被直直地引向地面,放射出耀眼的光芒。这一场面令人惊奇,并引发网友热议。其实,这是中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室和中国气象局广州热带海洋气象研究所在中国气象局雷电野外科学试验基地联合开展的人工引雷试验。

        尽管人们很熟悉电闪雷鸣,越来越多的公共场所也都有避雷设施,但是对于人工引雷未必了解。而看似酷炫的人工引雷背后却有诸多玄机。

        1.人工引雷尚是一种科学试验

        自然闪电常常是指雷暴云内、云间或者云与地之间自然发生的强烈放电现象。雷暴云与地面之间的放电称为云地闪或地闪,颇为鲜明的特征是击中地面或地上的物体;未击中地面或地上的物体的闪电则统称为云闪。由于持续的时间很短,绝大多数自然闪电不超过1秒钟,且发生时间和位置具有较强随机性和不确定性。

        “人工引发的云地间的放电过程即是人工触发闪电,一般通过人工引雷试验实现。”中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室副主任、雷电团队首席研究员吕伟涛解释,准确地说,目前科学家和媒体提及的人工引雷是一种科学试验。

        由于自然闪电具有高电压、大电流、强电磁辐射、长空间尺度等特征,科学家要在实验室进行准确模拟尚十分困难;与此同时,自然闪电发生的随机性强,近距离开展雷电综合观测也颇为困难,特别是自然闪电电流更是难以直接获取。

        “当前,人工触发闪电是能够较为真实地模拟自然闪电的唯一手段,需要开展人工引雷试验来实现。”吕伟涛认为,当引雷试验场上方有雷暴云经过的时候,在合适条件下,通过向上发射尾部拖曳金属导线的引雷火箭,快速上升的火箭会促使放电通道起始并向上发展入云,最终形成云和地之间强烈的放电现象。

        据介绍,人工触发闪电的特点是闪电发生位置确定、发生时间可预知、便于近距离测量,所产生的强电磁环境与自然地闪后续回击没有差异,并且可以实现闪电通道底部电流的直接测量,可获取其电流、近距离电磁场等关键数据。

        因此,人工引雷是研究雷电放电过程、雷击效应及测试雷电探测设备、雷电防护技术和器件的重要手段;可以基于此开展很多科学试验,包括雷击过程及其机理的研究、新型雷电探测技术的研发与测试以及雷电防护技术的测试等。

        2.人工引雷必须满足苛刻的条件

        从旁观者的角度看,人工引雷看着简单,只要“放一支箭”就可以。

        然而,在科学家眼里,人工引雷是复杂而困难的,需要特殊的场地,需要技术精湛的科研团队且能严格地按照防护规程操作,需要找准时机。

        人工引雷试验场地自然要在雷电多发地带。“我们的试验场地在广州从化,位于华南区域,属于雷暴多发地区。这种‘先天优势’能够为开展人工引雷试验提供非常好的自然条件。”吕伟涛解释。

        从事人工引雷的科学家也不简单,须有多年的积累和丰富的经验。吕伟涛及其所在的科研团队已从事这项工作达十余年,每年他们都有近三分之一的时间在野外开展雷电观测试验。

        雷电外场试验是与电压非常高、电流非常大、电磁辐射非常强的观测对象打交道,试验人员的安全始终要被放在首位。因此,人工引雷必须采取严格的安全措施。在发射火箭引雷时,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,即“法拉第笼”。这个金属方舱,即使被雷击中,里面的试验人员也是安全的。在整个试验过程中,所有试验人员都必须严格遵守规章制度和操作规范。同时,试验人员要准确获取观测数据,每个环节都来不得半点儿马虎。

        人工引雷火箭拖着一条细细的钢丝,钢丝需要有足够的抗拉强度,要细、要轻,以减轻火箭的负荷。火箭发射后上升的速度也是决定能否成功引雷的关键。火箭的发射速度太快,容易将钢丝拉断而导致引雷失败;火箭太慢,不利于火箭冲破其尖端电晕放电产生的屏蔽层,同样难以引发雷电。

        人们也曾提出过其它几种方案,例如高压水柱引雷法、激光束引雷法、气球引雷法等。但是,目前尚没有使用这些方法引雷成功的记录或报道。

        3.并非每次人工引雷都能成功

        “成功引雷的关键是准确估测空中电场强度。”吕伟涛说,可发生放电的电场强度一般为每米百千伏量级。现有观测手段不能直接探测云中电荷和空中电场分布情况,试验人员只能通过测量地面大气电场推测空中电场强度及其变化趋势。

        然而,地面电场受设备架设条件、周围雷暴环境、地形、降水等多种因素影响,试验人员据此无法准确估测空中电场强度。引雷试验会综合考虑气象探测资料(如雷达回波)和地面电场变化,结合理论知识以及经验进行推测,其中存在较大不确定性。

        此外,人工触发闪电的成功率与试验期间雷暴条件、触发方式、火箭质量、导线拖放情况也有关系。整体而言,引雷能否成功是多个因素综合的结果。比如,火箭发射是否正常、发射时机是否得当、发射过程中有无自然闪电等。把握好人工引雷时机,需要准确的观测、扎实的理论基础和丰富的实践经验相结合。

        “并非每次人工引雷都能成功。”吕伟涛表示,世界上有多个国家曾开展或仍在开展人工引雷试验。国内外人工引雷试验成功率大多在30%-40%,随着探测手段的丰富完善和科学家经验的不断积累,人工引雷的成功率会有所提升。中国气象局雷电野外科学试验基地近几年引雷的成功率达到了60%以上。截至目前,这个雷电基地已连续14年开展人工引雷试验,成功引发189次闪电,极大地丰富了雷电物理、防护、探测等理论、技术研究所需的第一手观测资料。

        4.人工引下来的雷电能量还难以储存应用

        不少人都很好奇,能不能把雷电释放的能量收集起来呢?雷电出没动静很大,给人的感觉是能量超强。一次典型的地闪释放的能量大约为109至1010焦耳,5个100瓦的灯泡亮1个月消耗的能量大约为1.3×109焦耳(360度电),所以一次雷电释放的能量并没有想象中那样大。但由于雷电放电具有很强的瞬时性,其能量往往在非常短的时间内被释放。因此,雷电瞬时功率非常强,目前还没有合适的能量储存器能经得起雷击的考验。另外,雷电出现时间和地点存在很大随机性,在一个固定地点发生的雷击很有限,即使对于几百米的高层建筑,每年被雷击中的概率也就几十次,因此收集雷电的能量并没那么容易。

        尽管人工引下的雷电的能量不易储存和应用,但是通过人工引雷可以为我国雷电监测、预警预报和防护技术研究与开发提供必要的基础平台,为防御雷电灾害业务的发展提供更加科学的技术支撑,以提高我国雷电灾害防御能力。

        传统的避雷系统是由避雷针、避雷带、引下线、接地体等构成的,但随着新型避雷装置的研究,需要进行更加实际的雷击试验。有科学家指出,人工引雷提供了最接近真实的自然雷电模拟源,不但可以用于雷电物理研究,还能对雷电防护装置的性能进行综合试验和评估,有力推动雷电防护技术的创新研发和应用。

        延伸阅读

        引下来的雷电为什么看起来那么直?

        人工引雷是由快速上升并拖曳金属导线的小火箭引发的,火箭的上升将从线轴拉出的导线拉直。放电过程通常从200-400米高度起始(称为触发高度),向上自持发展,在空气中形成常见的不规则放电通道。当放电自持发展到云内时,云中电荷沿着已经建立的通道卸放到地。人工触发闪电触发高度(大约200-400米)以下的通道通常都是沿着拉直的导线。在最近网上广泛传播的图片和视频中,因为拍摄位置距离人工触发闪电通道很近(大约100米),视野有限,只看到导线部分的通道,所以展现的闪电通道都是直的。实际上,在几百米以上,人工触发闪电的通道是在空气中自由传播的,通道就不会那么直了。

  • 东京奥运会要创机器人投放数量之最

        王信强

        据美国《大众机械》等国外媒体报道,参加2020年东京奥运会的运动员和观众将会发现,机场、赛场及宾馆,闯入眼帘的是形形色色的机器人及大量高科技装备。日本主办官员披露,日本打算把2020奥运会办成一场高科技奥运会,将创下机器人投放数量最多的世界纪录。

        “场地支持机器人”。田径场上有许多投掷项目,其中标枪最远可掷百米,而铁饼也在70多米。丰田公司研发一种机器人,重8公斤,配有三个摄像机和一个特别传感器,以每小时20公里速度移动。顶部有灯,移动时会亮。行进时,其人工智能会避开障碍。为保护草坪,不走固定路线。它的任务是负责回收和运送投掷用具,但实际捡起用具的工作仍要人来完成。不过,它的问世,可加快运送时间,减轻支援小组工作负担。

        “机器人吉祥物”。这次奥运会有两个吉祥物,分别叫MIRAITOWA和SOMEITY,配有摄像机和脸部识别能力,能记住附近所有的人。一旦认出,会通过眼睛做出反应,并做出系列表情和动作,但不会说话。它们将在各个场馆迎接来访观众,还能与儿童进行互动。

        令人“身临其境”的机器人。赛事期间,会有不少人因种种原因无法去现场观看。丰田公司研发的T-TR1机器人则解决了这个问题。这种机器人拥有超大荧屏,通过四个轮子在赛场移动,播出比赛实况。只要把自己影像投射过去,观众便可在荧屏上观看比赛,以虚拟方式参加,虽身处异地却仿佛亲临现场。

        “人类支援机器人”和“递送支持机器人”。这是两款为观众及坐轮椅的观众提供服务的机器人。“人类支持机器人”高度可在105-140厘米之间调节,任意方向移动,也可与人对话。一个机械臂可捡拾物品或递送物品交给观众。在休息区巡逻时,如遇上乘轮椅观众,会主动上前询问是否需要帮助,还能为乘轮椅观众引导座位。与其配套的“递送支持机器人”也可向任意方向移动,其实是一台移动的餐车。顶部有一个箱子,存放12公斤食品和饮料。通过平板电脑订购后,机器人就会把小点心和软饮料送到残疾人座位。

        “多语言翻译机器人”。日本国内会使用外语的人不多。但在奥运会期间,一下飞机或在赛场及宾馆,就会遇见多语种机器人。这种人工智能机器人能进行最多10种语言的语音实时翻译,有问必答,还提供观光指南服务。

        “清洁机器人”。机场赛场,不时可看到负责打扫卫生的清洁机器人。它们任劳任怨,忙个不停,把地面打扫得一尘不染。

        “警卫机器人”。高1.7米,重170公斤,装有人工智能摄像头,以步行速度滑行。任务是扫描人群,寻找可疑情况。

        另据报道,日本打算在开幕式上制造一场“人工流星雨”。通过人造微型卫星,向地球发送人造陨石,营造流星雨效果。但最终能否实现,要等到2020年7月24日晚上才能揭晓。

  • “科学”流言榜

        柯谐

        流言1

        “坐高铁=照X光”

        流言:国产高铁从诞生起就存在严重的辐射问题,坐高铁等同于照X光,对人最大的危害就是破坏女性生殖系统。

        真相:我国高速铁路上运行的列车,使用的电力一般为2.5万伏特、50赫兹的交流电。相应地,高铁的高压电力设备辐射出这个频率段的电场和磁场,为“极低频电磁辐射”,属于非电离辐射,完全不同于X光的电离辐射。所以“坐高铁=照X光”的说法纯属误导。

        有电的地方就有辐射,普通火车、地铁都有辐射,手机、剃须刀有辐射,太阳光也有辐射。只要辐射在一个安全值内,就不会对人产生影响。国际非电离辐射防护委员会规定,高铁产生的磁场辐射的安全标准为100微特斯拉(磁感应强度单位)以下,电场辐射的安全标准为5千伏/米以下。

        北京铁路局专业人士曾专门对高铁车厢中的电场辐射进行测量并公开测量数据,电场辐射值分布在0.011-0.021千伏/米的范围内。中国高铁的电磁辐射量要远远低于国际标准,根本不可能对人体造成伤害。

        流言2

        “血稠”是血栓的前期信号

        流言:“血稠”是非常危险的信号,意味着血栓等后果,必须想办法疏通血管,缓解血稠。

        真相:“血稠”在医学上指的是高粘稠血症,血粘度数值越小,血流速度越快,反之则流速越慢。

        而血栓是血管内形成的块状物。如果血栓逐渐增加,最终影响到血液循环,增加心脏负担,减少氧气供应和有害物质的排出,就会影响健康。引起血栓的危险因素包括炎症、凝血异常、高胆固醇、高血压、糖尿病等。

        因此,血粘度与血栓是两个不同概念,前者描述的是血液特征,后者则通常指一种疾病,尽管有研究表明二者之间存在一定关联,但没有严格的因果关系。

        流言3

        孕妇吃某些食物让孩子出胎记

        流言:一些食物如胡萝卜、芹菜、南瓜等,容易让黑色素沉淀,孕妇进食后,会加重胎儿色素沉淀从而引发胎记。

        真相:蔬菜水果的颜色,大多数来自于花青素、胡萝卜素、叶黄素、番茄红素、甜菜红素等等,它们不仅不会“沉积”,而且有助于身体健康。孕妇不仅不应该少吃,反而应该保证摄入足够的量和尽量多的种类。

        人们通常说的胎记更多是色素型胎记,是过多色素细胞集中在一个部位造成的。迄今为止,现代医学并没有发现胎记形成的诱因或者风险因素,比如著名医学网站WebMD明确指出“没有已知的方法去预防胎记”。绝大多数胎记的形成原因都是未知的;有些胎记是遗传的,但大多数不是。

        流言4

        被烫伤后可以抹牙膏、酱油

        流言:烧伤、烫伤后,在伤口上涂抹牙膏、酱油,可以减轻疼痛,消除肿胀。

        真相:在烫伤部位涂上牙膏,会立刻感觉清凉舒适,给人带来“涂牙膏真的很有效”的感觉,这仅仅是因为牙膏中含有薄荷成分而已。其实,这种清凉感对治疗烧烫伤没什么帮助。而且,干了之后,牙膏会附着在创面上,不仅增加伤口清理难度,还会影响烧伤处热量的散发。

        实际上,伤口上涂抹牙膏后可能被细菌污染,进而引起感染。同样,烫伤后涂抹酱油,不但不能减轻伤情,还会刺激伤口,加深受伤程度,增加感染机会。

        (北京市科协、北京科技记者编辑协会发布)

        本版部分图片/IC photo