一朵中等强度雷暴云 携带一座小型核电站的能量

2019年04月25日08:18  来源:科技日报
 
原标题:一朵中等强度雷暴云 携带一座小型核电站的能量

雷暴云造成的闪电,危害着各行业生产和人民生命财产安全。 图片来源于网络

又是一年春末夏初,春暖花开的同时,高影响天气也进入多发季。像雷暴,往往伴随着雷雨大风、冰雹等强对流系统出现,破坏性、影响性极强。

近日,有媒体报道,印度研究人员应用一座渺子(μ子)望远镜设施,测出发生于2014年的历史上最高一次雷暴云电势,比此前测得云电势最高纪录高10倍。什么是雷暴云,发生雷暴云后对人们的生产和生活将会带来怎样的影响,对其电势监测又有什么意义?就这些问题,科技日报记者采访了相关专家。

云地闪电 严重危害百姓生活

“气象概念上,伴有闪电的积雨云就可称为雷暴云。”国家气象中心强天气预报中心高级工程师蓝渝在接受记者采访时说,孤立的雷暴云叫做雷暴单体,其水平尺度约十几公里,多个雷暴单体成群成带地聚集在一起则会组成中尺度对流系统,是造成暴雨、冰雹、雷雨大风和龙卷风等灾害性天气的重要系统。

蓝渝介绍,雷暴云的出现是对流系统生成的重要指征和表现。由雷暴云造成的闪电,特别是云地闪电,对工业生产、电器领域、百姓生活有着方方面面的危害,中国平均每年就有百人以上因云地闪电直击而死亡,而造成的直接间接经济损失则不计其数。除此之外,强盛的对流系统则是造成短时暴雨、雷暴大风、冰雹、龙卷风等各类极端强对流灾害天气的罪魁祸首,直接危害各行业生产和人民生命财产安全。

据了解,典型的雷暴云是具有强烈上升气流和下沉气流的积雨云。这种云垂直伸展较高,如高耸的陡山,顶部可呈砧或鬃状;底部较暗,时有悬球状结构。单个积雨云的主体水平尺度在几公里到20公里左右。雷暴云的发展与热气团在不稳定环境中的对流抬升有关。

“超级单体雷暴具有强烈上升气流和下沉气流对流活动,相比普通雷暴单体其具有更长的生命史,也具备更大的破坏力。”蓝渝告诉记者,在美国,得克萨斯、堪萨斯、科罗拉多位于龙卷风走廊地带。每年春季,来自于墨西哥湾的湿热空气,与来自加拿大和落基山脉的干冷空气相遇,较易形成超级单体雷暴。由于伴随深厚、持续旋转的上升气流,其外观与圆形飞船相似,其具备的强“旋转性”也是导致龙卷风形成的重要因素,成熟的超级单体雷暴所造成的对流性大风常常会刮倒树枝电缆,随之而来的暴雨冰雹也会破坏道路建筑,伤害力巨大。

监测系统 最新空间定位逼近米量级

“雷暴云顶部一般较高,云的上部常有冰晶。在空气对流活动中,冰晶、水滴的碰撞、破碎等物理过程,使云中产生电荷。”蓝渝说。

云中电荷的分布较复杂,经典的雷暴云电荷结构,上部以正电荷为主,下部以负电荷为主。因此,云的上、下部之间或者云内与地面之间形成一个电位差。当电位差达到一定程度后,就会产生放电。这就是常见的闪电,闪电的平均电流是3万安培,最大电流可达30万安培。闪电的电压很高,约为1亿至10亿伏特。一个中等强度雷暴云的功率可达1万千瓦,相当于一座小型核电站的输出功率。放电过程中,由于放电通道中温度骤增,伴随发出强烈的闪光,而空气受热后体积急剧膨胀,从而产生冲击波,导致强烈的爆炸轰鸣声,这就是人们见到和听到的闪电雷鸣。

“由于较强闪电,特别是云地闪电,对人们生命安全、家电设备、高精仪器等都可能造成极大影响,因此一直以来科学家们对闪电开展了全方面的探测和研究。”蓝渝介绍,目前对于雷暴云中放电(闪电)的观测,主要是通过对闪电造成的各频段电磁辐射进行遥测,从而科学计算出闪电放电强度信息(电势、电流)、放电定位和传播速度。当前主流定位观测设备能以微秒量级的时间分辨率、百米量级的空间定位精度对闪电放电的详细过程进行定位观测,最新的系统时间分辨率可以达到数十纳秒量级,空间定位精度逼近米量级。

此外,科学家还通过开展“人工引雷”试验,通过人工引导闪电击中专业探测设备的方式,实现对闪电电流、电势强度等信息的直接测量,收集一手资料,这也是判断雷暴云闪电放电强度的重要依据。

至于渺子望远镜,蓝渝表示,其主要应用于宇宙射线的观测,目前并不是观测闪电的主流设备。“应该指出,虽然闪电的产生与发展过程中会伴随产生各频段高能射线,但其与宇宙射线的相似性以及此观测方法应用的科学合理性,目前还并未得到科学界的普遍认可。”蓝渝说。

预报预警 雷暴云监测意义重大

蓝渝表示,雷暴云是形成强对流性极端天气的基本必要条件,因此,一定程度上讲,对雷暴云的监测是目前强对流灾害天气预报预警业务的基础与根本。

以我们常见的飞机飞行为例,当发展旺盛的雷暴云顶达到1万米时,云中上升、下降气流的垂直速度每秒可达20米至30米,并伴有强烈的乱流。如果飞机不慎进入云中,强烈的气流会造成飞机中度以上颠簸,如果气流极为强烈,甚至可以使飞机的飞行高度在瞬间上升或下降几十米至几百米。这时,由于飞机的剧烈震动,飞机上的仪表指示往往滞后,不能准确地反映飞机瞬间的飞行状态,因此飞行员的操作稍有不慎,就会导致飞行事故发生。

当然,对飞机造成最大威胁的还是雷暴云中的闪电。监测发现,当闪电发生时,雷暴云中的电场强度可达到每米2万伏特以上,可以想象20万安培的电流所形成的一条温度达1.5万至2万摄氏度的狭长区域,无疑是飞机的禁区,飞机一旦进入,轻则无线电罗盘失灵、电源损坏,重则机毁人亡。

“不仅如此,对闪电活动特征本身的了解,对冰雹和龙卷风这类强对流灾害天气也有一定的指示意义。”蓝渝说,一方面,闪电是雷暴云内的物理现象,也是强对流活动生成发展的重要表征。空气剧烈的上升下沉活动,看不见摸不着,人们难以直接观测,但闪电,特别是云地闪电的发生,已有多种方法可以实现实时的高精度遥测定位。因此,对闪电的精密观测,为气象工作者第一时间捕捉对流活动、判断对流强度等重要信息提供了第一手资料。

另一方面,闪电活动的变化是果,反应的是雷暴云内对流剧烈程度、电荷结构等物理过程特征,例如闪电的频繁程度(闪电密度)、平均放电电流强度、放电极性比例及这类量值在时间上的变化特征等精细化要素,在预报和预警业务中对及时判断雷暴云中对流活动强度变化、判断如冰雹和龙卷风这类强对流灾害天气的发生,有一定的指示意义。通常意义上,对流单体产生的闪电活动越剧烈,其产生灾害性天气的可能性越高。

蓝渝认为,目前,通过数值模式对天气物理过程开展模拟,在此基础上进行未来预报,已经成为预报业务的重要技术手段。对雷暴机理认识的加深,定量化的闪电放电过程将作为一种大气电学物理参量,参与到数值模式计算中,有利于完善其对各类对流活动的模拟方案优化,带来更加精细更加可信的分析预报产品。(付丽丽)

(责编:王绍绍、贺迎春)