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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。
“This is the first demonstration that lightning can be controlled by a laser.”

—Jean-Pierre Wolf, University of Geneva
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。
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