原文標題：《兩百年過去了，終于有人發(fā)明出了新型避雷針！閃電居然能“長腳”走 50 多米》

撰文 | 阿嫻

審校 | Ziv

雨水節(jié)氣剛過，就意味著又一年的雷雨季節(jié)要來了。

雖然人們對雷電防護的研究已經(jīng)有很多年的歷史，但是就好像被三體人鎖死了這方面的發(fā)展，本杰明?富蘭克林發(fā)明的避雷針仍然是人們最常用的避雷手段。

避雷針的工作原理其實非常簡單，在雷雨天氣出現(xiàn)帶電云層時，避雷針和高樓頂部都聚集了大量電荷，避雷針與云層之間的空氣就很容易被擊穿，成為導體。帶電云層與避雷針形成通路，而避雷針又是接地的，避雷針就可以把云層上的電荷導入大地，保證了高層建筑物的安全。

但避雷能力受到桿子高度的限制，其保護區(qū)域的半徑大致等于避雷針的高度，例如 20 米高的避雷針最多可保護半徑為 20 米范圍內(nèi)的區(qū)域免受雷擊。如果想保護一些大型基礎(chǔ)設(shè)施，比如機場，可能需要一根數(shù)公里大小或者數(shù)百米的避雷針，技術(shù)難度太大，也不切實際。

雷電發(fā)生的不確定性讓人們一直處于被動的地位，而科學發(fā)展到今天，有沒有什么技術(shù)可以將雷電引下來，實現(xiàn)主動引雷？

最近一項發(fā)表在國際學術(shù)期刊 Nature Photonics 上的研究提供了主動引雷的新思路：在雷雨天氣下，可以讓閃電跟著激光感應(yīng)細絲（由短而強的激光脈沖在天空中形成）“走”一段很遠的距離，突破避雷針的短距離防護限制，從而實現(xiàn)主動引雷。

激光引雷的想法最早是由 Ball 在 1974 年提出的，后來科學家們也在實驗室里嘗試過強激光脈沖引導雷擊的實驗，但由于科技水平限制，遲遲沒能在野外、自然的雷雨天氣條件下成功進行實驗。

激光避雷針（filament lightning rod）的原理是利用激光器向云層快速發(fā)射強烈而短暫的激光脈沖，每個脈沖在一皮秒（一萬億分之一秒）內(nèi)攜帶了大約一太瓦（一萬億瓦）的瞬時能量。激光在空氣的傳播過程中會自聚焦成一條“激光細絲”，這個過程其實是光束的自聚焦效應(yīng)，是指強激光束通過非線性介質(zhì)時會自動聚集成直徑為幾微米的細線的現(xiàn)象。

同時，強烈的激光脈沖電離空氣分子，產(chǎn)生自由電子，自由電子又會抵消光束自聚焦。激光的自聚焦和離聚焦兩個過程會在短暫的時間內(nèi)達到平衡，沿著脈沖的路徑形成一個空氣通道。在這個被激光穿透、能維持毫秒的空氣通道內(nèi)，低密度的空氣和高密度電子的奇特組合形成了一個對于電子來說非常有吸引力的軌道。

來自法國的物理學家奧雷利安?烏阿爾（Aurélien Houard）和他的同事在瑞士東北部的阿爾卑斯山上進行實驗，在電信塔附近安裝了一個高功率的 Yb:YAG 激光器。（不遠萬里選在這兒，主要是因為這座“倒霉”塔每年會被閃電擊中約 100 次......）

研究人員觀察到：在 2021 年 7 月至 9 月的雷雨季節(jié)里，激光累計在天空中發(fā)射了六個小時，曾四次改變了閃電放電的方向。在 7 月 24 日，高速攝像機記錄到的一次圖像中可以清楚地觀察到，閃電收斂了它的“張牙舞爪”，緊緊貼著激光束，在從原有的位置上移動了大約 50 多米。在另外 3 次激光器打開的觀測記錄中，通過射頻探測器，也可以看到閃電是跟著激光“走”的。

有優(yōu)點就有缺點，激光避雷針的核心問題就是：貴！該實驗項目資金大約 400 萬歐元（約等于 2934 萬人民幣），其中一半都用來建造激光系統(tǒng)了。

人們很早之前還嘗試過一種底部裝有金屬絲的火箭，通常被稱為火箭-導線引雷技術(shù)。

這種技術(shù)是在雷暴天氣，提前預(yù)測并且選擇固定的地點，向雷暴云發(fā)射拖拽金屬導線的小型火箭，使得導線可以接觸到雷暴云中的電場，將雷電通過導線傳送到地面固定位置。這項技術(shù)最早起源于美國，我國是全世界第三個掌握人工引雷技術(shù)的國家。

但是這一技術(shù)仍然有許多亟需解決的問題，比如火箭和導線都是一次性的消耗品，并且被雷電擊中后火箭掉落的碎片有一定危險，現(xiàn)階段并不適合廣泛使用......

有個小問題，火箭可以用竄天猴代替嗎？（bushi

封面來源：Flickr + 自制

參考資料：

• [1]https://www.nature.com/articles/s41566-022-01139-z

• [2]https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_21585804

• [3]https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning_rocket

本文來自微信公眾號：把科學帶回家 （ID：steamforkids），作者：萬物

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的两百年过去了，终于有人发明出了新型避雷针，闪电能“长脚”走 50 多米的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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