目前进行人工引雷实验的目的,主要有两个:一是利用可以对它进行各种严密测量的优越性,从而研究雷电的各种机理等;二是利用它来模拟自然雷电而进行各种实验。总之,不管是为了哪一个目的,都需要对人工引雷及自然闪电进行一个系统比较,看看人工引雷到底能在多大程度上代表自然雷电。
从发生环境上,人工引雷与自然雷电存在一定的差别。首先,人工引雷或者是在自然闪电之前或者是在自然闪电根本不可能发生的雷暴环境下产生的。因而有人指出人工引雷发生时的电场比自然雷电发生时的电场要弱,因而强度也可能较弱。不过要注意的是,因为人工触发因子与自然触发因子是两个完全独立的因子,仅凭以上的理由说人工引雷较弱可能是站不住脚的。其次,在用火箭导线技术触发闪电时,因为从决定发射火箭到真正触发闪电之间存在至少几秒钟的时间差,为了避免火箭在初始上升阶段出现自然雷电,一般的人工引雷实验都是在雷暴电场处于稳定期,特别是在雷暴末期进行。这时云中的电荷分布应该与雷云活跃期时的电荷分布存在一定的差别。另外,在人工引雷中,尽管继后回击发生时,引雷用的导线已被汽化,但通道中仍存在着金属成分的残渣,这些残渣可能也会有一定的影响。
从发生过程上讲,一般自然闪电以下行梯级先导开始,因而存在所谓的首次回击;而人工引雷以上行先导开始,其后是一连续电流过程,没有自然闪电中的首次回击。人工引雷和自然闪电都有继后回击及继后回击之后的连续电流过程。从发生过程上讲,人工引雷与从高建筑物上发生的上行自然雷完全一样。下面我们将测量到的人工引雷的各种参数进行分析,并比较与自然闪电的差别。
Hubert等人(1984)在法国及New Mexico得到的人工引雷的持续时间的平均值分别为350 ms和470 ms,而在New Mexico带有连续电流的自然闪电的持续时间为550 ms,不带连续电流的持续时间为370 ms(Brook等,1962)。单从这些数据进行比较;看不出人工引雷与自然闪电的持续时间有什么差别。Berger等(1975)在瑞士测到的多次回击自然闪电的持续时间只有180 ms。这也许是由雷暴本身的特性所造成的。
Hjbert等人(1984)在法国及Nes Mexico得到的人工引雷所中和的电荷量的平均值分别为50 C和35 C;而在New Mexico,Brook等(1962)根据电场变化得到:含有连续电流的自然闪电所中和的电荷量为34 C,不含连续电流的自然闪电所中和的电荷量为19 C,加在6.3节介绍到,人工引雷的初始阶段都含有一持续时间较长的连续电流过程。可能是由于这个连续电流的原因,导致人工引雷所中和的电荷量偏高。
对于人工引雷一次继后回击所中和的电荷量,Hubert等人(1984)得到的平均值为0.35 C,而Fisher等人(1993)得到的平均值为2.1 C。对于自然闪电,Brook等人(1962)得到的平均值为0.8 C。这里要指出的是:Hubert等人将初始连续电流阶段中的电流脉冲也当成回击进行统计,这显然会导致回击所中和的电荷量偏小,这是不合适的。另一方面,在Fisher等人的统计中,若紧接继后回击有连续电流,连续电流所中和的电荷量也被一起算在这个回击里,这就造成得到的继后回击所中和的电荷量偏大。考虑到以上这些因素,继后回击所中和的电荷量,人工引雷与自然闪电似乎不存在明显的差别。
关于继后回击的电流峰值、上升时间及电流变化率,Depase(1995)综合法国Saint-Privat在1990~1991年人工引雷实验结果,得到的中间值分别为9 kA,0.82 μs及33.1 kA/μs,而对于自然雷电,所对应的中间值分别为12 kA,1.1 μs及40 kA/μs。有关继后回击的电场变化率峰值,Uman等人(2000)总结了众多结果。从他们的结果可以看到,不管是自然闪电还是人工引雷,若把它们的继后回击所产生的电场变化率峰值都归一化到100 km处,其值大约为几十V/m(m/μs),不存在什么明显差别。
LeVine等(1984)观测发现32个人工引雷直窜先导的平均速度为2×107 m/s,而21个自然闪电直窜先导的平均速度为1.1×107 m/s。似乎人工引雷直窜先导的速度要快一些。
最近Mach等人(1997)对他们观测到的35个自然闪电及26个人工引雷的直窜先导的速度及光信号上升时间也进行了比较。他们测得的结果表明:自然直窜先导的平均速度为1.7±0.2×107m/s,而人工引雷的直窜先导的平均速度为1.3±0.1×107m/s;自然直窜先导的光信号平均上升时间为2.6±0.4 μs,而人工引雷的直窜先导的光信号平均上升时间为1.4±0.4 μs。根据以上这些结果,他们认为两种闪电的直窜先导存在很多的差别。比较一下Mach等人与Idone等人的结果可以看到:有关直窜先导的速度,Mach等人的结果表明自然闪电的直窜先导的速度较大,而Idone等人的结果表明人工引雷的直窜先导的速度较大,他们的结论正好相反。根据Jordan等人(1992)综合到的更多有关两种闪电的直窜先导速度的结果,并看不到它们之间有什么差别。而且Jordan等人发现,不管是人工引雷,还是自然闪电,它们的直窜先导速度与继后回击的电场或电流峰值之间都存在非常类似的正相关。
Mach和Rust(1989)对人工引雷及自然闪电继后回击的速度进行了比较。根据用光电管测到的光信号,他们分别在所谓短通道(小于500 m)及长通道(大于500 m)上求出速度。在短通道上,人工引雷的继后回击的平均速度为1.4±0.4×108 m/s,而自然闪电的后继的回击的平均速度为1.9±0.7×108 m/s。在长通道上,前者为1.2±0.3×108 m/s。虽然在短通道上,两者有一些差别,但并不明显。
综合以上所有关于人工引雷与自然闪电继后回击的比较结果可以看到,尽管在具体一些参数或测量结果中,人工引雷与自然闪电继后回击可能存在一些小的差别,但考虑到自然闪电本身的各种参数变化范围相当大,这些差别可以忽略不计。
最近有人利用高度人工引雷技术,试图模拟自然闪电中的下行梯级先导及首次回击(Lalande等,1998;Rakov等,1998)。不过在已经进行的这类试验中,由于下行先导的长度只有几百米长或更短,因而产生的首次回击与自然闪电的首次回击还存在很大的差别。
图6-27是一例高度人工引雷首次回击的电流、磁场及电场波形(Rakov等,1998)。在触发这个闪电中,所用尼龙线的长度为400 m,而且在地面处接有50 m长的导线(见5.5.1节)。从图6-27可以看到这些波形含有两个较明显的峰值,这显然与地面处连接的导线有关。当模拟下行梯级先导接近导线时,导线中的电流还不足以熔断导线。首次回击发生后,导线中的电流突然增加,导线瞬间被汽化,造成电流一时中断。其后通道中的电荷重新分布,再次出现先导及回击。从图6-27也可以看到,主电流峰值尽管也可达到10 kA,但与自然闪电首次回击的电流相比,高度人工引雷的首次回击的电流持续时间非常小。这是由于高度人工引雷的下行梯级先导远比自然闪电的下行先导要短的缘故。为了更进一步地模拟自然闪电的首次回击,首先必须加大高度人工引雷中用于使导线与地面绝缘的尼龙线的长度;其次应该避免使用连接在地面上的导线。不过这时会发生的问题是,所触发的闪电很可能不会击到所期望的地点。