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18世紀中期，美國科學家本杰明·富蘭克林曾進行著名的風箏實驗，并發(fā)明了人類歷史上首個金屬導體避雷針。300多年后，科學家們一直致力于尋找新的方法來保護建筑物免受雷擊的破壞。近期，他們的嘗試有了新突破。

(資料圖片)

1月16日，由日內瓦大學的讓-皮埃爾·沃爾夫(Jean-Pierre Wolf)教授團隊發(fā)表在《自然-光子學》雜志上的一篇科學研究結果表明，瞄準天空的激光束可以使雷擊偏轉。科學家稱這是自富蘭克林發(fā)明金屬導體棒避雷以來，人類防雷技術最重大的進步。

第一財經記者郵件聯(lián)系了瑞士的沃爾夫教授，他表示，這項研究歷經20年的實驗測試，目標是開發(fā)一種能夠引導閃電通過空氣放電的激光器，以保護比避雷針更大的區(qū)域范圍，安全地將閃電傳輸?shù)降孛妫苊鈸p壞建筑結構本身。

首個現(xiàn)場實驗提供證據

研究人員在瑞士東北部桑蒂斯(S？ntis)山頂?shù)娜鹗侩娦潘浇M行了這項“激光避雷針”的實驗，他們等待雷暴聚集。該塔高約124米，每年被閃電擊中約100 次。

在2021年7月至9月期間，研究人員向雷云發(fā)射快速激光脈沖，持續(xù)時間共計6個多小時，以期為可能發(fā)生的大氣放電過程提供通道并影響后繼發(fā)展過程。結果表明，在實驗過程中，激光曾四次改變了閃電放電的方向。

研究人員使用幾公里外的高速攝像機記錄到7月21日的一次閃電路徑的改變。錄像顯示閃電沿著激光路徑移動了大約50米，這表明脈沖有助于改變閃電的方向。

研究人員表示，激光系統(tǒng)也可以在雷雨和冰雹等惡劣天氣下工作，它甚至可以穿透山頂周圍的低空云層。

在這篇論文中，研究人員得出初步結論：由短而強的激光脈沖形成的細絲可以在相當長的距離內引導閃電放電的方向。他們還表示，未來的實驗課題是將激光脈沖形成的細絲移向云中的電荷中心，從而加強激光的引導能力，甚至引發(fā)閃電放電。

盡管激光避雷的研究領域已經活躍了20多年，但這是第一個通過實驗證明激光引導閃電的真實世界的現(xiàn)場結果。這項工作為超短激光在大氣層的新應用方面鋪平了道路，為機場、發(fā)射臺或大型基礎設施開發(fā)基于激光的雷電保護方面邁出了重要一步。

“我們的工作意味著在為機場、發(fā)射臺和發(fā)電廠等關鍵基礎設施開發(fā)基于激光的雷電保護方面，向前邁出了重要一步。”論文通訊作者、日內瓦大學的沃爾夫教授寫道。

覆蓋更大的保護區(qū)域

中國科大地空學院的陸高鵬博士在接受第一財經記者采訪時表示，早在2008年，該激光器就曾遠渡重洋從歐洲前往美國新墨西哥州中部的朗繆爾實驗室開展外場實驗。“雖然早期的實驗并沒有獲得理想的結果，但實驗人員并沒有放棄，仍然在不斷改進實驗方案以期取得激光引發(fā)雷電的技術突破。”陸高鵬對第一財經記者說道。

據介紹，傳統(tǒng)金屬避雷針保護區(qū)域的半徑大致等于其高度，例如20米高的避雷針最多可保護20米范圍的區(qū)域免受雷擊。目前，S？ntis的實驗表明，目前的系統(tǒng)可以傳導閃電超過50到60米，但研究人員表示，長期目標是將其范圍擴大到500米。

“要保護整個機場，需要一根超過一公里高的金屬桿，這當然是不切實際的。”沃爾夫教授團隊解釋道，“因此，進行此類應用的唯一方法是使用激光避雷針。”

接下來，研究人員希望通過調整激光的波長和頻率來提高激光的效率，從而為雷擊提供更長的路徑。 他們正在計劃申請資金在機場測試該系統(tǒng)。沃爾夫稱，激光避雷針不會提供百分之百的保護，但它們會對易受攻擊的設施提供額外的防御。

不過，與金屬避雷針相比，激光系統(tǒng)的成本非常高。沃爾夫表示，在進一步的開發(fā)工作完成之前，他們還不知道商業(yè)上可行的系統(tǒng)的成本是多少。他沒有向第一財經記者透露目前實驗使用的激光系統(tǒng)的建造成本。

這項研究項目也得到了產業(yè)界的支持，例如德國激光公司Trumpf提供系統(tǒng)，該系統(tǒng)每秒可發(fā)射1000次超短強光脈沖，每次持續(xù)萬億分之一秒。此外，瑞士電信、歐洲航天集團Ariane Group和空客也支持了該項目。

研究團隊援引數(shù)據稱，每年有超過10億次閃電襲擊地球，造成數(shù)千人死亡，數(shù)萬人受傷；雷擊每年給全球的企業(yè)和公共基礎設施運營商造成數(shù)十億美元損失，這些災害包括火災，以及電氣和電子設備毀壞造成的損失。

在國內，以中科院物理所為代表的科研團隊也曾開展了一系列利用高能激光引發(fā)閃電的實驗，實現(xiàn)了太瓦飛秒激光在自由大氣中公里級別的等離子通道傳輸，為電子設備雷電防護性能測試和人工干預氣候等實用化應用掃清了技術上的障礙。

（文章來源：第一財經）