为了成功地用火箭导线技术人工引雷,无论是对火箭的运动参量,还是对雷暴的电状况都有一定的要求。这些要求就构成所谓的人工引雷条件。
对火箭运动参量的要求
导线顶端处电场足够大才能产生强击穿,才能产生持续向上的传输先导,这就要求火箭的速度足够大,否则,导线顶端电晕放电产生的小离子在电场作用下随火箭一起运动,在导线顶端处形成一电荷屏蔽层,抑制这里的电场变强。根据这一要求,Moore等人(1982)指出:为了能有效地人工引雷,需要导线顶端的速度大于150 m/s,火箭的运行高度不低于1000m。不过他们的考虑太定性,过于简化,从某种程度上讲也是很片面的。Wang与Guo(1989)经过分析认为,先导的发展取决于导线顶端附近的局域强电场。这个强电场的大小不仅与导线上的诱导电荷有关,还与火箭上升时所形成的一电荷柱有关。他们认为导线尖端电晕放电产生的带电粒子,一部分随着导线一起运动,一部分将会堆积于火箭路径上形成这一电荷柱。他们的计算结果表明:火箭的最大速度不能低于75 m/s,而且,为能有效地人工引雷,火箭在一定高度、一定时间范围内其速度并不是越大越好。他们认为火箭速度在一段时间内维持在100 m/s左右比较适宜。至于火箭飞行高度,用经典人工引雷地技术的大量试验表明,人工引雷成功时火箭到达的高度(触发高度)的最大值为600 m左右,所以火箭升高能达到1 km左右是适宜的。但对日本的冬季雷暴,由于云底高度较低,所以日本采用最大高度仅能升至300 m的火箭也能很有效地人引雷(Horii,1982)。
对雷暴电状况的要求
目前,进行人工引雷试验时,决定是否发射火箭,主要是根据地面电场或地面尖端电晕电流的大小情况。在海上进行人工引雷试验时,Newman等人(1967)取电场为15~20 kV/m。在New Mexico及法国的St Privat d’ Allier进行试验时取电场为10kV/m左右(Hubert等,1984);在Florida地区进行实验时取电场为5 kV/m左右(Uman等,1997);对于日本冬季雷暴人工引雷试验取电场为5~10 kV/m(Horii,1982);在我国西北高原地区,一般取电场为4~10 kV/m,而在北京及南昌地区一般取电场为5 kV/m左右(Liu和Zhang,1988;Qie和Liu,1998)造成这些差别的主要原因是受近地面空间电荷层的影响,在不同地方地面电场与几百米高度处的电场环境可以大不一样。像在Florida及我国南方地区,树木及杂草较多,因而由此产生的电晕电荷也较多,这些电荷在距地面几百米范围内形成一电荷层,可以大大减小地面处的电场。而在海面,因为没有太多的电晕电荷,地面电场与高空处的电场差别不太大。所以在实际人工引雷实验时不仅要看地面电场值,同时也要考虑到云的强度和高度、地面电场变化趋势及闪电频数等。从点火到火箭升到几百米的高度一般需要几秒钟的时间,若闪电太频繁,火箭升空过程中,很可能有自然雷发生、电场就会变小,人工引雷失败的可能性较大。不过,目前只能凭经验考虑以上这些因素。
根据以上的判据,现在人工引雷的成功率一般可达60%以上。人工引雷发生时所对应的火箭高度即触发高度一般在100~600 m之间,但不同的地方其值可以差别很大。在日本、法国、New Mexico及Florida进行的人工引雷试验所得到的平均触发高度依次是:142 m,210 m,216 m及380 m。在我国西北地区平均触发高度可达470 m,而在南方地区平均触发高度与法国等地的结果非常相似只有200 m(Liu和Zhang,1988)。
从理论上讲,同一地方发射火箭时地面电场越大,对应的触发设计越低,反之亦然。Hubert等人(1984)确实发现在New Mexico的人工引雷试验中,地面电场E与触发高度H有很好的相关性。通过拟合,他们得到
(5-1) |
这里触发高度H的单位为m,电场E的单位为kV/m。可是在日本(Horii and Nakano,1995)和我国(Liu and Zhang,1988),地面电场E与触发高度H之间没有发现什么相关性。前面谈到由于受近地面空间电荷层的影响,地面电场不能反映几百米高度处的电场,所以找不到地面电场E与触发高度H之间有什么相关也不足为奇。
为了正确地求出人工引雷所需要的电场条件,必须减少空间电荷层的影响。一个比较好的办法是直接测量触发高度处的电场。最近Willett等(1999)通过火箭测量到人工引雷时触发高度处的电场。图5-17是他们的结果。尽管他们的数据还不是很多,但可以看到触发高度与电场还是有一定的反比例关系;同时也可看到,人工引雷发生时,触发高度处的电场一般只有每米十几千伏,最小的电场只有13 kV/m。在我国,Qie等人(1998)根据人工引雷时的地面电场及触发高度,通过一定的模式计算得到在南方地区触发高度处的电场在15~20 kV/m,在西北高原地区触发高度处的电场在60~70k V/m。在我国南方地区触发的闪电都是负极性,而在西北高原地区触发的闪电都是正极性。他们的结果表明:与触发负极性闪电相比,触发正极性闪电需要更大的环境电场。