美国每年约发生 4000 万次雷击。这种自然现象令人恐惧地随机，我们主要依靠避雷针这种近 300 年历史的技术来应对。但研究人员正在探索一种更具 21 世纪气息的解决方案：激光束。
由本杰明·富兰克林率先提出的避雷针在保护建筑物方面效果良好。但它在保护大片土地或广阔的设施（如风力发电场、机场和火箭发射台）方面的能力有限。因此，在一项发表在《自然·光子学》杂志上的研究中，一个科学家团队测试了一种高功率激光器，以引导闪电击中瑞士一座山的山顶。研究团队表示，这种“激光避雷针”技术有朝一日可以转移重要的大型基础设施的雷击。
“他们所做的工作非常令人印象深刻，”亚利桑那大学的光学科学家杰里·莫洛尼说，他是这种激光应用的早期先驱，但没有参与这项研究。这是一个“非常非常精密的装置”。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
当水滴和冰晶之间的摩擦在云层中产生静电荷时，通常在暴风雨期间会发生闪电。这种电力积聚并最终释放，沿着云层和地面之间电阻最小的路径向上或向下推进巨大的火花。普通的避雷针由导电金属制成；它们为闪电提供了一个优先的撞击点，然后安全地将电荷引导到建筑物周围并进入地面。但金属并不是将闪电从易受攻击的目标引开的唯一方法。
在新的实验中，高功率激光器将一列空气变成导体。当激光发射时，它会将电子从光束路径中的空气分子中分离出来，从而在称为电离的过程中产生带电粒子。这会将通常是绝缘体的空气转变成闪电具有吸引力的撞击点——有效地在要保护的区域上方的天空中创建一个高耸、临时且可控的避雷针。科学家们几十年来一直梦想着建造激光避雷针，但之前的实验大多失败了。法国巴黎综合理工学院的物理学家、该研究的主要作者奥雷利安·胡瓦德解释说，旧的激光器每秒只能脉冲约 10 次，速度太慢，无法保持空气柱电离。研究中使用的激光器每秒可以发射 1000 次，每次脉冲持续一万亿分之一秒。
“如果你愿意，你可以用这种激光烧石头，”胡瓦德说。论文的资深作者、日内瓦大学的物理学家让-皮埃尔·沃尔夫补充说，它消耗约 10 千瓦的功率：大致相当于操作商用烤箱或七个家用空间加热器所需的功率。*
研究人员在瑞士阿尔卑斯山脉的著名山峰 Säntis 山顶测试了激光的引雷能力，之所以选择这里是因为闪电经常击中山顶的电信塔。在那里，在 2021 年夏季，该团队记录了初步结果，同时观察到 16 次雷击，其中 4 次发生在激光器开启时。在这四种情况下，传感器（高速摄像机或高频电磁波探测器）都捕捉到了闪电沿着光束路径传播的情况。作者希望通过未来研究的更多数据来微调这项技术。
沃尔夫说：“下一步将更接近实际应用，基本上是在发射台附近或机场附近重做这个实验。”
南伊利诺伊大学的航空研究员艾琳·米勒（未参与这项研究）表示，机场的雷击是一个“持续存在的问题”，它们不仅会延误航班，还会导致员工和旅客受伤或死亡。大多数机场目前依靠早期预警系统来防止飞机在雷击风险较高时滑行或降落。
激光避雷针技术将如何适应这种环境尚不清楚；即使是瞄准天空的微型激光器对飞行员来说也出了名的危险。在他们最近的山顶实验中，研究人员与航空当局合作，在 Säntis 周围划定了禁飞区。研究作者表示，狭窄的临时禁飞区和飞机进入射程时的自动关闭功能可能会解决安全问题。
不过，就目前而言，本杰明·富兰克林的创新技术仍然适用。
*编者注（2023 年 3 月 31 日）：此句在发布后经过编辑，以更正对激光器功耗的描述。