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富兰克林之后新的避雷针诞生?最新Nature子刊:闪电跟着激光“走”了50多米

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据《Nature Photonics 》网站报道,欧洲科学家首次成功利用激光引导闪电,希望这项技术能有助于预防致命闪电,以及在选定的时间触发闪电,以更好地保护机场或火箭发射台等战略设施。


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自古以来,闪电就令人类着迷和恐惧。根据卫星数据,全世界闪电的总频率——包括云对地和云闪电——估计在每秒40到120次之间,造成相当大的破坏和人员伤亡。全球每秒会发生40至120次的闪电,每年造成4000多人死亡和数十亿美元的损失。而人们最广泛使用的防止直接雷击的外部防护仍然是避雷针,也称为富兰克林针或避雷针,用避雷针牵制闪电,并将闪电的电流导入地下装置。避雷针是由本杰明·富兰克林在18世纪发明的,它由一个与地面相连的尖顶导电桅针组成。它为闪电提供优先的击中点,并将电流安全地引导到地面,从而保护建筑物及其周围环境。

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在本文中,研究人员首次展示了由短而强的激光脉冲在天空中形成的激光诱导细丝可以引导闪电放电到相当远的距离。2021年夏天,在瑞士东北部的Säntis山上用高重复率太瓦激光器进行了一项实验。两个独立的高速摄像机记录了一个向上的负闪电引线在50米距离引导。通过高频干涉测量在另外三个实例中证实了激光丝对负闪电引线的引导,并且在引导闪电记录中探测到的x射线暴的数量大大增加。虽然这一研究领域已经活跃了20多年,但这是第一个实验证明激光引导闪电的现场记录

2021年夏天进行的实验记录中,在Säntis山顶上一座124米高的电信塔附近安装了一台Yb:YAG激光器,能量为500 mJ,波长为1030 nm,重复频率为1 kHz。这座塔每年大约被闪电击中100次,它配备了多个传感器来记录闪电电流、不同距离的电磁场、x射线和闪电放电的辐射源。激光脉冲被向上引导,传播路径经过塔尖附近,塔尖装有富兰克林针(见图1)。


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图1:Säntis(瑞士)124米高的电信塔的图像。还显示了激光在515 nm处记录的二次谐波路径。


在2021年7月21日至9月30日期间,激光器在塔3公里内发生雷暴的6.3小时内运行。塔至少被16次闪电击中,其中4次——L1、L2、L3和 L4——发生在激光发射期间。所有记录的雷击都是向上的,这与2010年以来在Säntis塔观测到的97%的雷击一致。然而,尽管在没有激光的9年时间里,在Säntis塔上的观测显示了84%的负闪,11%的正闪和5%的双极闪光,但4次激光发射记录都是正闪,连接了塔的顶部和云层中的正电荷中心。根据大气电符号惯例,正(负)闪电是由带正(负)电荷的云产生的,并在塔周围产生正(负)背景电场;它可以诱导向上的引线。这四次激光记录中只有一次(L2)发生在2021年7月24日UTC时间16:24相对晴朗的天空中,这使得研究人员能够用分别位于塔1.4公里和5公里处的两台高速摄像机从两个方向记录闪电放电的路径。该路径的快照如图2所示。它们表明雷击最初沿着激光路径在最初50米的距离内移动。请注意,放电并不是完全沿着这一初始段直线,就像用拖着电线的火箭触发闪电一样。图3显示了两次向上的上升负引线的时间分辨序列,一次(L2)在激光运行时发生,另一次在UTC时间2019年7月2日00:22时没有激光引导。注意在激光引导阶段(L2的最低垂直截面)没有分支。


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图2:在激光存在下记录的2021年7月24日(L2)闪电快照。a,b,位于Schwaegalp (a)和Kronberg (b)的两台高速摄像机所记录的快照。随后在晴空中通过二次谐波产生的激光路径轨迹也被叠加。


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图3:高速摄像机闪电路径图像。a,在放电250、375、915和2750µs开始后,2021年7月24日(L2)记录的激光存在下的闪电路径图像。b,在放电200、400、900和3000µs开始后,没有激光的情况下,2019年7月2日记录的闪电路径图像。


雷暴是电磁波的发射源,电磁波的频率范围很广,从无线电波到伽马射线。甚高频(VHF) (1-10 m波长)对放电形成阶段的研究特别有用。新墨西哥理工学院开发的VHF干涉仪系统在2021年夏季测量记录期间安装在Säntis塔附近。该系统由倒v形天线组成,记录VHF辐射源由于位置不同而产生的相位差。利用互相关算法,可以在二维空间(方位角、仰角)中获得源的位置。该系统能够以几米的空间分辨率和微秒级的时间分辨率跟踪闪电前导传播。图4比较了两种闪光时干涉仪定位的VHF源:一个(L1)有激光记录,另一个(N07)没有激光。在前一种情况下,沿着激光路径的辐射源在大约60米的距离上被观察到。如图5所示,当激光开启时,在同样的60 m内,光源到激光的距离标准差减小了45%。


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图4:VHF干涉仪测量。a,b,在有激光的闪电记录L1 (a)和没有激光的闪电记录N6 (b)期间发射的VHF源的二维地图。电信塔为黑色,而激光路径为红色(激光存在时为连续的红线,激光关闭时为虚线)。每个点对应一个VHF发射。右侧显示的彩色刻度条对应于时间刻度。紫色部分显示了预期激光成丝的区域。


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图5:测量到的三个正向上闪光的电信号。a - c,三个正向上闪光L1 (a),L3 (b)和N6 (c)测量的电信号。上:电场刻度在左y轴上,电流在右y轴上。底部:闪烁器检测到的x射线信号,其中每个峰值对应于50 ns采样期间收集的x射线能量。L1和L3对应有激光的记录,而N6对应没有激光的记录。


观察L1、L3和L4记录的闪电电流、电场和x射线。L1和L3的结果如图5所示,并与在没有激光的情况下测量的具有相同正极性的记录进行了比较。x射线探测器的视场指向激光轨迹。这里提出的三次记录与2021年激光安装之前的另外两个正向上升记录进行了比较。它们在振幅和步长间隔方面表现出相似的电流和电场波形。另一方面,在激光束存在的情况下,x射线爆发的数量(每次4.3次)远远高于没有激光束的情况(每次一次)。请注意,大多数用激光观察到的x射线爆发都是在激光引导的前导传播(前500µs)对应的时间内探测到的。在光学应用实验室(Laboratoire d’optique Appliquee)进行的未发表的实验表明,一米长的引导放电向前进方向发射x射线爆发。这表明这些x射线爆发是在放电的直线段发射的(见图2)。

在本文描述的2021年研究之前,2004年在新墨西哥州和2011年在新加坡进行了一些使用峰值功率太瓦的短激光脉冲丝引导和/或引发闪电的尝试。这些早期的记录未能提供激光引导或闪电放电启动的证据。这就提出了以下两个问题:(1)为什么Säntis记录比前两次尝试更成功?(2)为什么在这场记录中只有向上的负引导由激光引导?


研究人员推测,促成Säntis记录成功的一个重要因素是激光的重复频率,与以前的尝试相比,它高出了两个数量级。在Säntis闪电之前,电场的变化通常非常缓慢(几十到几百毫秒)。这是因为大多数闪光都是自发的。因此,使用千赫兹的重复频率可以拦截塔上出现的所有闪电前兆。此外,在丝化过程中,由高场电离产生的一小部分自由电子被中性氧分子捕获。在高激光重复频率下,这些长寿命的带电氧分子会积累起来,保持对激光路径的记忆。被中性氧分子捕获的电子的俘获电位分别为0.15 eV,而与氧和氮分子结合的电子的俘获电位分别为13.62 eV和15.58 eV,因此它们可以很容易地通过热或与被环境电场加速的高能电子的非弹性碰撞而释放出来。实验室实验已经在千赫兹激光重复频率下的细丝中提供了这种自由电子存在的证据。


研究人员相信,这一实验突破将使防雷和闪电物理学的进步。也为超短激光在大气中的新应用铺平了道路,并将为机场、发射台或大型基础设施激光防雷发展的提供重要一步。


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扩展数据图1:实验装置。


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扩展数据图2:不同测量设备的位置。


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扩展数据图3:模拟时考虑的几何模型。


文章来源:
https://www.nature.com/articles/s41566-022-01139-z


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