研究人员成功利用射向天空的激光引导闪电

MARTIN STOLLBERG/TRUMPF

一项新的研究发现，一股强大的万亿瓦激光射向天空，有望在在空中作为避雷针，引导雷击，防止造成破坏。

迄今为止，最常见和最有效的防雷形式是Benjamin Franklin（本杰明·富兰克林）于1752年发明的避雷针。这些尖头导电金属棒拦截雷击，并将其电流安全地引导至地面。

然而，传统避雷针的一个主要缺点是其保护区域的半径大致等于其高度。研究高级作者、日内瓦大学物理学家Jean-Pierre Wolf表示，由于人们建造避雷针的高度存在实际限制，这意味着避雷针在保护大面积地区（包括机场、火箭发射场和核电站等敏感基础设施）方面可能无法发挥作用。

近50年前，科学家首次建议使用激光在空中产生避雷针。Wolf说：“我们的想法是用激光制造一个很长的避雷针。”

在这项新的研究中，研究人员于2021年夏天在瑞士东北部阿尔卑斯山最高的山峰——海拔2502米的桑提斯（Mount Säntis）山顶进行了实验。在6月至9月期间，每当预测到风暴时，激光就会被激活，在测试期间，该地区的空中交通将被关闭。

Wolf和他的同事试图保护一座124米长的发射塔，该塔配备了传统的避雷针，属于电信供应商瑞士电信（Swisscom）。这座塔每年被雷击大约100次，科学家们此前为它配备了多个传感器来分析这些雷击。在塔附近，研究人员安装了一台大型汽车大小的近红外激光器。它发射脉冲，每一个脉冲的能量约为半焦耳，皮秒（万亿分之一秒）长，大约每秒1000次，峰值功率为太瓦（万亿瓦）。

“想象一下，用直升机将一台10吨重的激光器运送到海拔2500米的山上，使其在非常恶劣的条件下运行，在极端天气下追踪闪电，如风速高达每小时200公里、大雨、冰雹、同一天的温度从-10摄氏度到20摄氏度不等，然后，当它工作时，你会在旁边几十米处看到一道巨大的闪电。”Wolf说。

激光脉冲可以改变空气的折射率，也就是控制光在空气中传播速度的材料的质量。这可以使空气的行为像一系列透镜。

在穿过透镜空气后，强烈的短激光脉冲可以迅速电离和加热空气分子，以超音速将其从光束路径中排出。这留下了一条低密度空气通道，时间大约为一毫秒。这些“细丝”具有高导电性，因此可以用作避雷针，长度可达100米。研究人员可以调整激光，制造出距离机器一公里的细丝。

在实验中，科学家们在塔的避雷针顶端附近的上方创造了细丝。这项研究的主要作者、巴黎高级国家高级技术学院的研究科学家Aurélien Houard表示，这基本上提高了杆的高度至少30米，扩大了杆的保护范围，这样闪电就不会击中杆遮蔽物以外的塔的部分。

在距离塔三公里范围内的雷暴期间，激光器工作了六个多小时。该塔被至少16次闪电击中，所有闪电都向上移动。其中四次闪光是在激光器工作时发生的。高速摄像镜头、无线电和X射线探测器显示，激光有助于引导这些放电过程。其中一次制导打击被摄像机记录下来，显示它沿着激光路径行进了近60米。

XAVIER RAVINET/UNIGE

Wolf说：“这是第一次证明了激光可以控制闪电。”

尽管实验室实验表明，激光可以帮助引导雷击，但在过去的20多年里，以前的实验未能在该领域做到这一点。Wolf，Houard和他们的同事认为，他们的新工作可能取得了成功，因为他们的激光脉冲频率比以前的尝试高出了数百倍。使用的脉冲越多，成功拦截闪电活动的机会就越大。此外，他们补充道，较高的脉冲频率可能更好地保持细丝的导电性。

Wolf指出，他们的工作不是地球工程研究。“我们没有改变气候，”他说，“我们偏转闪电以进行区域的保护。”

从长远来看，科学家们希望使用激光将避雷针范围延长500米。此外，Wolf指出，他们可能会在机场和火箭发射场等地点进行实验。

研究人员于1月16日在《自然光子学》杂志（https://www.nature.com/articles/s41566-022-01139-z）上详细介绍了他们的发现。