28 1 月, 2023

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科学家首次引导激光束| 物理

根据在瑞士一座山顶暴风雨期间进行的演示,科学家们首次在野外用激光引导闪电。

这项壮举涉及去年几个月向雷云发射强大的激光脉冲,为机场、发射台和高层建筑的激光防雷系统铺平了道路。

“几乎所有地方都使用金属棒来防雷,但它们可以保护的区域仅限于几米或几十米,”帕莱索综合理工学院的物理学家 Aurélien Houard 说。 “如果我们有足够的激光功率,希望将这种保护扩展到几百米。”

一道闪电是一种巨大的放电,通常会在两到三英里的距离内点燃。 螺栓中携带的电荷非常强烈,达到 30,000 摄氏度,比太阳表面高五倍。 每年有超过十亿颗螺丝钉撞击地球,导致这一切发生 数千人死亡受伤人数的 10 倍,损失达数百亿美元。

传统的避雷针可以追溯到本杰明富兰克林,他曾在雷暴出现之前骑马追逐雷暴。 著名的风筝体验 1752年。但最近,科学家们一直在寻找其他方法来保护建筑物和物体免受毁灭性打击。

写在日记里 自然光子学霍华德和他在瑞士的同事描述了他们如何将强大的激光束传输到瑞士东北部桑蒂斯山的山顶,并将其放置在一座 124 米高的通讯塔附近,该塔每年被闪电击中约 100 次。

科学家们等待风暴聚集,并在去年 7 月至 9 月期间向雷云发射了总共六个多小时的快速激光脉冲。 为记录雷击而设置的仪器表明,在实验过程中,激光偏转了四次向上的闪电放电。

只有一次闪电发生在 7 月 21 日,天气晴朗到足以让研究人员使用几公里外的高速摄像机从两个方向拍摄闪电的路径。 镜头显示螺栓跟随激光的路径大约 50 米,表明脉冲有助于传递打击。

激光通过为放电向下流动创造更容易的路径来偏转闪电。 当激光脉冲发射到天空中时,空气折射率的变化导致它们收缩并变得如此强烈以至于它们电离它们周围的空气分子。 这导致一长串研究人员称之为天空中的细丝,空气分子迅速升温并以超音速运动,留下低密度电离空气通道。 这些持续几分之一秒的通道比周围的空气更具导电性,因此为闪电提供了更容易的路径。

激光的威力足以对空中飞行员的眼睛造成危险,因此在试验期间,试验场上空的空中交通被关闭。 但科学家们认为这项技术仍然有用,因为发射台和机场通常有特定区域适用禁飞限制。 “考虑这一方面的安全性很重要,”霍华德说。

他补充说,在不同波长下运行的更强大的激光器可以将闪电引导到更远的距离,甚至可以在闪电成为威胁之前触发闪电。 “你避免去其他你无法控制的地方,”霍华德说。

“与简单棒的成本相比,激光系统的成本非常高,”卡迪夫大学摩根美容闪电实验室主任 Manu Haddad 教授说。 “然而,激光可能是一种更可靠的引导闪电放电的方法,这对于敏感地面设施和设备的雷电保护可能很重要。”

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