雷電是最極端的自然現(xiàn)象之一。這是一種突然的靜電放電，電壓高達(dá)數(shù)百萬(wàn)伏，電流可達(dá)數(shù)十萬(wàn)安培。

雷電極具破壞性，森林火災(zāi)、電力中斷、基礎(chǔ)設(shè)施受損……在全世界范圍內(nèi)，每年會(huì)有多達(dá)24000人因雷電死亡，更不用說(shuō)大范圍的破壞了，損失可能高達(dá)數(shù)百億。

自1752年本杰明·富蘭克林發(fā)明避雷針以來(lái)，避雷裝置幾乎沒(méi)有變化。即使在今天，傳統(tǒng)避雷針依舊是最有效的保護(hù)形式。它通常都是有著尖頭的導(dǎo)電桿，由金屬制成，與地面相連，在云層和地面之間為電荷提供了一條低阻的路徑，從而有效地保護(hù)了建筑物。

它但問(wèn)題在于保護(hù)范圍。傳統(tǒng)避雷針?biāo)Ｗo(hù)的表面半徑差不多和它的高度相當(dāng)?？梢赃@么理解，一個(gè)10米高的桿差不多能保護(hù)一片半徑10米的區(qū)域。

然而，桿子的高度是不能無(wú)限延伸的，而且雷電的發(fā)生也毫無(wú)規(guī)律可循。因此，這種方案并不是保護(hù)比如機(jī)場(chǎng)、風(fēng)力發(fā)電廠或者核電站這樣的大面積敏感地點(diǎn)的最佳系統(tǒng)。

近日，一組歐洲研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種頗具潛力的替代方案，被稱為激光避雷針（LLR）。在瑞士森蒂斯峰頂上進(jìn)行測(cè)試后，他們已經(jīng)證明了這種方法的可行性。即使在惡劣的天氣下，激光避雷針也能有效擴(kuò)大保護(hù)范圍。研究結(jié)果已發(fā)表在《自然·光子學(xué)》上。

  讓空氣導(dǎo)電  

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，LLR的原理是通過(guò)產(chǎn)生電離空氣通道，引導(dǎo)雷電沿著它的光束傳播。

當(dāng)非常高功率的激光脈沖被發(fā)射到大氣中時(shí)，在光束內(nèi)形成了非常強(qiáng)烈的光絲。這些細(xì)絲會(huì)使空氣中的氮和氧分子電離，然后釋放出可以自由移動(dòng)的電子。這些被電離的空氣，或者說(shuō)等離子體，充當(dāng)了一種有效的電導(dǎo)體。

換句話說(shuō)，它可以從傳統(tǒng)避雷針繼續(xù)向上延伸，大大增加了高度，進(jìn)而擴(kuò)大它保護(hù)區(qū)域的范圍。

若要真正實(shí)現(xiàn)LLR，則必須開(kāi)發(fā)一種平均功率為一千瓦、每次脈沖為一焦耳、每次脈沖持續(xù)時(shí)間為一皮秒的新型激光。研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合產(chǎn)業(yè)公司，開(kāi)發(fā)出了這樣一種長(zhǎng)桿裝置，寬1.5米，長(zhǎng)8米，重超過(guò)3噸。

LLR。（圖／Martin Stollberg, TRUMPF）

在這項(xiàng)研究中，這個(gè)太瓦級(jí)的激光器在位于阿彭策爾海拔2502米的森蒂斯峰頂進(jìn)行了測(cè)試。它聚焦在瑞士電信公司一座124米高的發(fā)射塔上，這是歐洲受雷電影響的最大的結(jié)構(gòu)之一，它的塔頂配備了一根傳統(tǒng)避雷針。

2021年6月至9月間，每當(dāng)預(yù)測(cè)有風(fēng)暴活動(dòng)時(shí)，研究人員就會(huì)啟動(dòng)激光，觀察在激光開(kāi)啟和關(guān)閉的情況下是否會(huì)出現(xiàn)差異。此時(shí)，這一地區(qū)也必須提前進(jìn)行空中交通管制。

在這段時(shí)間里，高塔至少被擊中了15次，其中4次是在激光系統(tǒng)運(yùn)行期間。他們比較了激光絲在塔上方保護(hù)時(shí)以及塔被雷電自然擊中時(shí)收集到的數(shù)據(jù)，并用了近一年的時(shí)間來(lái)分析這些數(shù)據(jù)。

分析表明，LLR的激光可以有效地引導(dǎo)雷電。從第一個(gè)使用激光引導(dǎo)雷電的事件中，研究人員發(fā)現(xiàn)放電過(guò)程可以在閃電距離塔還有近60米時(shí)就沿著光束發(fā)生，這基本意味著它將保護(hù)范圍的半徑從120米增加到了180米。

數(shù)據(jù)分析還表明，LLR與其他激光不同，即使在惡劣的天氣條件下也能發(fā)揮作用，比如森蒂斯峰頂經(jīng)常出現(xiàn)的可能阻止光束的大霧天氣。而激光確實(shí)能穿過(guò)云層。這種結(jié)果先前只在實(shí)驗(yàn)室里被觀察到。

  擴(kuò)大范圍  

這個(gè)項(xiàng)目前后花費(fèi)了5年，耗資400萬(wàn)歐元。研究人員為了安裝這個(gè)激光發(fā)射器，不得不將它拆解成一小塊一小塊，再用纜車運(yùn)上山頂，并雇傭了瑞士最大的直升機(jī)進(jìn)行安置。

想要真正證明這種技術(shù)能有效地捕捉雷電，他們還有很長(zhǎng)的路要走。團(tuán)隊(duì)下一步希望進(jìn)一步提高激光的作用高度。長(zhǎng)期目標(biāo)包括使用LLR將10米的避雷針延長(zhǎng)500米。

他們還想證明，激光不僅可以引導(dǎo)雷電，也有望觸發(fā)雷電，“先發(fā)制人”地消除威脅。