科学家使用激光束转移雷击

关键要点
科学家们拍摄并测量了从塔上射出的闪电，骑着激光束，然后射向上方的天空。激光打破了大气层，为螺栓创造了有吸引力的路径。这是激光制导闪电的首次成功演示
有时，一项科学成就不需要炒作就能听起来很酷。激光制导闪电就是其中一种情况。自本杰明·富兰克林时代以来，我们一直在寻找控制或至少偏转雷击的方法。目前最常见的偏转避雷针方法是避雷针，但该技术存在一个主要限制：避雷针提供的保护区域大致仅延伸到避雷针的高度。
使用激光来引导闪电的路径可以创建更大的保护区域。科学家在1999年首次尝试用激光控制闪电的路径。现在，科学家们正在报告激光制导闪电的首次成功演示。其中一个实验的图片不言自明：

学分：A. Houard 等人，《自然光子学》，2023 年
为什么有效？非常大的激光的功率会分解大气层本身，为闪电创造一条路径。激光发射光脉冲，而不是连续光束。每个脉冲携带大约一太瓦（一百万瓦）的瞬时能量。这种功率只能在非常短的时间内提供，大约一皮秒，或百万分之一毫秒。你可以想象一个科幻小说中的激光冲击波：脉冲是一个行进的线段，发射到空中。（爆炸大约一毫米长，在我们的眼睛里会模糊成光束，并且是由红外光子组成的，所以不要太字面意思地描绘它。
脉冲的巨大功率降低了光在空气中传播的速度。这是一个非线性光学过程：仅在极高光强度（例如强大的激光脉冲）下观察到的效果的行话。脉冲中的功率密度随着脉冲的缩小而增加，从而增强效果并形成反馈环路。激光脉冲经历自聚焦：空气本身就像一个越来越强的透镜，不断地将激光功率塞入更强烈的脉冲中。这种情况一直持续到空气被电离：原子和它们的电子被分离，形成等离子体。等离子体中释放的电子抵消了聚焦。
在短时间内，激光的自聚焦和电子的离焦平衡，沿脉冲路径形成等离子体丝。最终，脉冲的能量消散，自聚焦过程脱落，关闭灯丝管。在这个实验中产生的细丝大约30米 - 约100英尺 - 或更长。
沿着细丝的长度，被脉冲破坏的不幸空气分子被剥离电子，然后爆炸到周围的大气中。细丝在一纳秒内坍塌，但留下一管改变的空气，徘徊相对较长的时间：大约一毫秒。在管内，较低密度的空气和较高密度的电子的某种组合似乎为电子的流动提供了有吸引力的轨迹。
在确定了雷击行进的诱人路径之后，环境条件必须合谋发出这样的闪电。该团队将激光器安装在瑞士一座山顶的电信塔脚下。他们将光束从塔旁边的地面向上瞄准，以一个小角度穿过塔的尖端。瑞士工厂每年经历大约100次雷击，几乎所有的雷击都是向上的，从塔尖跃向天空。
在雷暴期间运行激光，研究小组观察到至少十几次不遵循激光路径的闪电冲程，以及四个向上的冲程，从塔尖开始，桥接到灯丝上，然后沿着灯丝向上骑行，然后排放到上面的云中。在上图中，一个笔触被相机捕捉到。其余的闪光通过沿闪电路径发射的甚高频（VHF）无线电波和X射线得到证实。VHF发射可以通过两个测量天线进行三角测量，映射和计时闪电的路径，以创建一个令人信服的情况，即闪电沿着激光路径传播。图像卖故事，但VHF地图是硬数据。

来自论文的VHF无线电波发射数据，从激光ON（左）和OFF（右）的打击中收集。激光路径以红色显示，塔以黑色显示，灯丝位置以紫色显示。这些点是VHF发射，按时间进行颜色编码。（图片来源：A. Houard 等人，《自然光子学》，2023 年）
所有的制导打击都向一个方向发送电荷，在奇怪的大气物理学惯例下称为正电荷。聚集在地球上的电子跑上塔，射向上方带正电（电子贫）的云。在瑞士现场以及地球上任何地方发生的大多数撞击都是负面的：云层将电子释放到地面。该团队推测为什么他们只捕捉到沿着灯丝沿一个方向行进的电子，而它应该是一条双向的街道。
他们的解释依赖于流媒体的长度。这些小火花来自电场内的带电物体;如果它们连接起来，它们就会形成罢工的途径。塔的顶部和上方的灯丝底部都相互发出流光。他们伸出手的距离越远，他们就越有可能建立联系。在风暴的电气条件下，当负极螺栓即将出现时，来自灯丝的正极流光往往在正极螺栓之前延伸得更远。
该团队提供了进一步的猜想，说明为什么他们在以前的努力失败的地方成功了。一个原因可能是他们的激光每秒发射1000个脉冲（1 kHz），这使得脉冲在闪电准备击中的那一刻刚刚发射的可能性要大得多。如果灯丝确实持续大约千分之一秒，那么当激光打开时，塔上方的空气几乎连续地准备闪电。沉重的激光射击也可能积聚从灯丝中吐出的带正电荷的氧分子，有助于为空气注入能量。
科学报告相对较短，突出了演示本身，但只是简要地深入研究了细节。很明显，大多数雷击都没有穿过激光路径。激光制导闪电仍处于研究阶段：由于尚未完全理解的原因，它偶尔在不切实际和昂贵的条件下起作用。在证明这是可以做到的之后，科学现在将尝试完全理解它，使其保持一致，并看看它在现实世界中是否实用。与此同时，我们可以期待更多展示这种匠心所见的美丽图片。