“激光避雷针”完成首个山顶实验 可改变闪电方向

18世纪中期，美国科学家本杰明·富兰克林曾进行著名的风筝实验，并发明了人类历史上首个金属导体避雷针。300多年后，科学家们一直致力于寻找新的方法来保护建筑物免受雷击的破坏。近期，他们的尝试有了新突破。

1月16日，由日内瓦大学的让-皮埃尔·沃尔夫（Jean-Pierre Wolf）教授团队发表在《自然-光子学》杂志上的一篇科学研究结果表明，瞄准天空的激光束可以使雷击偏转。科学家称这是自富兰克林发明金属导体棒避雷以来，人类防雷技术最重大的进步。

第一财经记者邮件联系了瑞士的沃尔夫教授，他表示，这项研究历经20年的实验测试，目标是开发一种能够引导闪电通过空气放电的激光器，以保护比避雷针更大的区域范围，安全地将闪电传输到地面，避免损坏建筑结构本身。

首个现场实验提供证据

研究人员在瑞士东北部桑蒂斯（Säntis）山顶的瑞士电信塔附近进行了这项“激光避雷针”的实验，他们等待雷暴聚集。该塔高约124米，每年被闪电击中约100 次。

在2021年7月至9月期间，研究人员向雷云发射快速激光脉冲，持续时间共计6个多小时，以期为可能发生的大气放电过程提供通道并影响后继发展过程。结果表明，在实验过程中，激光曾四次改变了闪电放电的方向。

研究人员使用几公里外的高速摄像机记录到7月21日的一次闪电路径的改变。录像显示闪电沿着激光路径移动了大约50米，这表明脉冲有助于改变闪电的方向。

研究人员表示，激光系统也可以在雷雨和冰雹等恶劣天气下工作，它甚至可以穿透山顶周围的低空云层。

在这篇论文中，研究人员得出初步结论：由短而强的激光脉冲形成的细丝可以在相当长的距离内引导闪电放电的方向。他们还表示，未来的实验课题是将激光脉冲形成的细丝移向云中的电荷中心，从而加强激光的引导能力，甚至引发闪电放电。

尽管激光避雷的研究领域已经活跃了20多年，但这是第一个通过实验证明激光引导闪电的真实世界的现场结果。这项工作为超短激光在大气层的新应用方面铺平了道路，为机场、发射台或大型基础设施开发基于激光的雷电保护方面迈出了重要一步。

“我们的工作意味着在为机场、发射台和发电厂等关键基础设施开发基于激光的雷电保护方面，向前迈出了重要一步。”论文通讯作者、日内瓦大学的沃尔夫教授写道。

覆盖更大的保护区域

中国科大地空学院的陆高鹏博士在接受第一财经记者采访时表示，早在2008年，该激光器就曾远渡重洋从欧洲前往美国新墨西哥州中部的朗缪尔实验室开展外场实验。“虽然早期的实验并没有获得理想的结果，但实验人员并没有放弃，仍然在不断改进实验方案以期取得激光引发雷电的技术突破。”陆高鹏对第一财经记者说道。

据介绍，传统金属避雷针保护区域的半径大致等于其高度，例如20米高的避雷针最多可保护20米范围的区域免受雷击。目前，Säntis的实验表明，目前的系统可以传导闪电超过50到60米，但研究人员表示，长期目标是将其范围扩大到500米。

“要保护整个机场，需要一根超过一公里高的金属杆，这当然是不切实际的。”沃尔夫教授团队解释道，“因此，进行此类应用的唯一方法是使用激光避雷针。”

接下来，研究人员希望通过调整激光的波长和频率来提高激光的效率，从而为雷击提供更长的路径。 他们正在计划申请资金在机场测试该系统。沃尔夫称，激光避雷针不会提供百分之百的保护，但它们会对易受攻击的设施提供额外的防御。

不过，与金属避雷针相比，激光系统的成本非常高。沃尔夫表示，在进一步的开发工作完成之前，他们还不知道商业上可行的系统的成本是多少。他没有向第一财经记者透露目前实验使用的激光系统的建造成本。

这项研究项目也得到了产业界的支持，例如德国激光公司Trumpf提供系统，该系统每秒可发射1000次超短强光脉冲，每次持续万亿分之一秒。此外，瑞士电信、欧洲航天集团Ariane Group和空客也支持了该项目。

研究团队援引数据称，每年有超过10亿次闪电袭击地球，造成数千人死亡，数万人受伤；雷击每年给全球的企业和公共基础设施运营商造成数十亿美元损失，这些灾害包括火灾，以及电气和电子设备毁坏造成的损失。

在国内，以中科院物理所为代表的科研团队也曾开展了一系列利用高能激光引发闪电的实验，实现了太瓦飞秒激光在自由大气中公里级别的等离子通道传输，为电子设备雷电防护性能测试和人工干预气候等实用化应用扫清了技术上的障碍。