两百年过去了，终于有人发明出了新型避雷针！闪电居然能“长脚”走50多米

2023-03-02 11:03

来源：把科学带回家

作者：阿娴

（图片来源：Flickr+自制）

雨水节气刚过，就意味着又一年的雷雨季节要来了。

虽然人们对雷电防护的研究已经有很多年的历史，但是就好像被三体人锁死了这方面的发展，本杰明·富兰克林发明的避雷针仍然是人们最常用的避雷手段。

何方道友在此渡劫？？｜gifer

避雷针的工作原理其实非常简单，在雷雨天气出现带电云层时，避雷针和高楼顶部都聚集了大量电荷，避雷针与云层之间的空气就很容易被击穿，成为导体。带电云层与避雷针形成通路，而避雷针又是接地的，避雷针就可以把云层上的电荷导入大地，保证了高层建筑物的安全。

但避雷能力受到杆子高度的限制，其保护区域的半径大致等于避雷针的高度，例如20米高的避雷针最多可保护半径为20米范围内的区域免受雷击。如果想保护一些大型基础设施，比如机场，可能需要一根数公里大小或者数百米的避雷针，技术难度太大，也不切实际。

小型建筑上安装的避雷针通常也较小｜Pixnio

雷电发生的不确定性让人们一直处于被动的地位，而科学发展到今天，有没有什么技术可以将雷电引下来，实现主动引雷？

最近一项发表在国际学术期刊Nature Photonics上的研究提供了主动引雷的新思路：在雷雨天气下，可以让闪电跟着激光感应细丝（由短而强的激光脉冲在天空中形成）“走”一段很远的距离，突破避雷针的短距离防护限制，从而实现主动引雷。

激光引雷的想法最早是由Ball在1974年提出的，后来科学家们也在实验室里尝试过强激光脉冲引导雷击的实验，但由于科技水平限制，迟迟没能在野外、自然的雷雨天气条件下成功进行实验。

真·人工引雷（真·不建议尝试）｜gifer

激光避雷针（filament lightning rod）的原理是利用激光器向云层快速发射强烈而短暂的激光脉冲，每个脉冲在一皮秒（一万亿分之一秒）内携带了大约一太瓦（一万亿瓦）的瞬时能量。激光在空气的传播过程中会自聚焦成一条“激光细丝”，这个过程其实是光束的自聚焦效应，是指强激光束通过非线性介质时会自动聚集成直径为几微米的细线的现象。‍

同时，强烈的激光脉冲电离空气分子，产生自由电子，自由电子又会抵消光束自聚焦。激光的自聚焦和离聚焦两个过程会在短暂的时间内达到平衡，沿着脉冲的路径形成一个空气通道。在这个被激光穿透、能维持毫秒的空气通道内，低密度的空气和高密度电子的奇特组合形成了一个对于电子来说非常有吸引力的轨道。

124米高的电信塔｜参考资料[1]‍‍‍‍

来自法国的物理学家奥雷利安·乌阿尔（Aurélien Houard）和他的同事在瑞士东北部的阿尔卑斯山上进行实验，在电信塔附近安装了一个高功率的Yb:YAG激光器。（不远万里选在这儿，主要是因为这座“倒霉”塔每年会被闪电击中约100次......）

研究人员观察到：在2021年7月至9月的雷雨季节里，激光累计在天空中发射了六个小时，曾四次改变了闪电放电的方向。在7月24日，高速摄像机记录到的一次图像中可以清楚地观察到，闪电收敛了它的“张牙舞爪”，紧紧贴着激光束，在从原有的位置上移动了大约50多米。在另外3次激光器打开的观测记录中，通过射频探测器，也可以看到闪电是跟着激光“走”的。