李忠东
雷电是蕴含能量最大的自然事件之一。地球上每年大约会产生14亿次闪电。一道闪电的长度最短为100米，最长可达数千米。闪电的温度从1.7万摄氏度至2.8万摄氏度不等，约为太阳表面温度的3 至5 倍。闪电以其明亮的闪光点亮天空，呈“之”字形划过天空，而不是以直线形式在雷、雨、云和地面之间放电。
当空中的冷暖气流相遇时，暖空气将会上升。在上升的过程中，暖空气中的水滴和冷空气中的冰晶彼此碰撞再分开，这种摩擦使云层中产生净电荷。上升的气流将较轻且带有正电荷的冰晶继续抬升到云层的上部，而较重且带有负电荷的冰水混合物则会沉积到云层的中下部，云层呈现上半部分带正电、中下部分带负电的电荷分离现象。云层中的电位差不断增加，由此产生了闪电。
根据闪电在云层中发生位置的不同，可以将其分为云中、云间和云地之间三种放电模式。大部分闪电其实是在云中发生的，带正电的区域向带负电的区域放电，闪电便在云层之中产生。
云地之间的闪电对人类生产生活的影响最大。云地之间要产生闪电，电子会最先从云层的中下部和底部开始向下呈阶梯状移动。更形象一点的解释，就是云层中下部与底部和地面形成的电场强度越来越大，在云层底部产生了一个被强烈电离的气柱，呈阶梯状逐渐向地面延伸。这种暗淡光柱被称为“梯级先导”，直径为5米左右，每一级长约50米，平均速率为每秒15万千米。
当“梯级先导”一级一级向下传递，离地面只有5米至50米的距离时，就像接通了一根导线——强大的电流以极快的速度从地面经由“梯级先导”导流至云层，这个过程被称为“回击”。“回击”的速度可以达到每秒5万千米，通过的电流超过1万安培，整个过程会发出无比明亮的光柱，夜空也会被照亮。当第一次“回击”完成之后，如果云层中还有足够的电量，上述过程还可以再重复两到三次。而“回击”过程中产生的明亮光柱就是我们所见到的闪电。
短时间内，狭窄的闪电通道上会释放出巨大的电能，产生冲击波向四周传开，这就是雷声产生的原因。闪电导致建筑物被破坏，电源被切断，引发火灾并有可能造成人员伤亡。据不完全统计，全球平均每分钟会遭受约2000次雷暴，每年因雷击及其衍生危害造成的人员伤亡约1万人，直接经济损失超过10亿美元。
一般来说，雷电的危害分为两类，其中一类是闪电直接击中建筑物而产生热效应、电效应和机械力作用造成的。闪电电流高压效应产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压，会瞬间冲击电气设备，击穿绝缘体，使设备发生短路，导致燃烧、爆炸等直接灾害；闪电电流高热效应会产生大量热能，在雷击点形成高温，致金属熔化，引发火灾和爆炸；机械效应主要表现为被雷击物体发生爆炸、扭曲、崩溃、撕裂等现象，导致财产损失和人员伤亡。雷电波的侵入和防雷装置上的高电压对建筑物的反击作用，也会造成配电装置或电气线路短路，并出现燃烧现象而导致火灾。
另一类雷电危害由闪电的二次作用造成，即雷电流产生的静电感应和电磁感应。闪电静电感应会使被击物导体感生出大量与闪电性质相反的电荷，当雷电消失而电荷来不及流散时，就会产生高电压，发生放电现象，从而导致火灾。闪电电磁感应是指在雷击点周围会产生强大的交变电磁场，感生出的电流可引起变电器局部过热从而导致火灾。
从前，人们一直认为，天空中出现电闪雷鸣，是大自然在显示神威。美国科学家本杰明· 富兰克林冒着生命危险，才终于揭开了雷电之谜——闪电是一种放电现象。这让人类第一次认识到，它和地上的电流具有完全相同的性质。
为了规避雷电带来的危害，富兰克林用绝缘材料把数米长的铁杆固定在屋顶，杆上紧拴着一根粗导线，一直通到地面。当雷电袭击房子的时候，电流会沿着金属杆通过导线直达地下，使房屋建筑完好无损。富兰克林把这种装置称为“避雷针”。经过试用，避雷针果然能起避雷的作用。由此，避雷针成为早期电学研究中的第一项有重大应用价值的技术成果。但避雷针的有效范围有限，一根10米长的避雷针只能保护其周围10 米的区域。要保护像机场或风力发电场这样的大型建筑物，就需要运用长度难以想象的大型避雷针。
大规模的人工引雷实验开始于20世纪60年代。纽曼和布鲁克两位科学家最早提出了人工引雷的可能性——将导线快速引入一定强度的电场中，就会产生放电现象。1965年，纽曼等人演示了一种火箭拖曳导线的人工引雷方法。不同于避雷针被动引雷，火箭拖曳导线是一种主动引雷方法。在适宜闪电条件下发射小型火箭，就可以引发闪电，其成功率高达90%。然而，这种避雷方法成本昂贵，并且落下的火箭碎片也会带来危险，难以大规模推广应用。
激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”。1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家西奥多· 梅曼宣布其获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来第一次获得激光。随着激光技术的发展，科学家开始思考使用激光主动引导闪电放电的可能性，并在50多年前首次提出激光避雷的想法。
激光避雷的原理是向带电云层发送短而强的激光脉冲，由于激光引起空气折射率的变化，激光脉冲的尺寸会缩小，从而经历一个自聚焦的过程。当激光脉冲最终变得足够强烈时，就可以电离空气分子。空气分子被吸收的激光能量迅速加热，并以超音速径向排出，留下密度降低的细丝状空气通道。这些仅持续毫秒的低密度通道具有更高的电子电导率，为放电提供了优先路径。
在20世纪90年代，物理学家们开发出了飞秒脉冲激光，1飞秒只有1秒的一千万亿分之一。飞秒激光以脉冲形式运转，这些间隔更短、能量更低的脉冲激光对打开（轰出）导电通道更有效。激光细丝可触发和引导数米长的放电现象，这已在实验室中得到验证，当持续时间为皮秒（1皮秒=1000飞秒） 的初始脉冲功率在10太瓦范围内时，丝状化的电离长度可以达到100米。它可以引发雷暴云团之间的闪电（云际闪）和雷暴云内部的闪电（云内闪），使雷暴云内的能量在空中泄放，从而避免云和地面间的闪电（云地闪），确保被保护范围内的目标安然无恙。
激光主动引导闪电放电技术在2005年取得了令人鼓舞的成果，向实用化迈进了一大步。科学家建起的长达100多米的低密度通道，直插乌云，激光束改变了雷电走向，使雷电沿着这条通道直达地下或被引向避雷塔。激光避雷法不仅使人畜的生命和设备变得安全，还能影响天气。例如，随闪电出现的雷声震动了乌云，使小水珠聚成大水滴，降雨开始。激光避雷法或许还能制止一场引起灾难的冰雹。激光避雷研究成果将使雷电防护发生革命性变化。
法国巴黎国立高等先进技术学校应用光学实验室的物理学家奥雷利安· 乌瓦尔的团队和日内瓦大学让· 皮埃尔· 沃尔夫教授的团队，研究用激光丝控制放电已经有20年了。他们2004年在美国新墨西哥州，2011年在新加坡进行了两次激光避雷实验，都未能成功影响闪电的路径。
随着德国通快集团开发出新的激光系统，为期5年、耗资400万欧元的欧洲激光避雷项目正式启动，合作伙伴由原来的2个增至8个。 2021年夏季，由25名雷电物理、激光成丝、激光开发和防雷电等研究领域的科学家组成的研究团队，在瑞士东北部的森蒂斯峰，使用通快集团的高重复率太瓦激光器，进行了激光避雷实验。研究人员在124米高的电信塔附近安装了一个Yb：YAG激光发生器，该激光脉冲持续时间为皮秒，能量为500兆焦耳，波长为1030纳米，重复频率为1千赫。
根据记录，这座电信塔每年会被闪电击中约100次。研究人员在这座电信塔上配备了多个传感器以记录闪电电流、不同距离的电磁场、X射线和闪电放电的辐射源等信息。从2021年7月到9月，研究人员在总持续时长超过6小时的雷暴中，4次将激光射入塔顶附近的天空，试图在雷电到达电信塔的常规避雷针之前将其“哄骗”到光束上。
实验中，研究人员通过位于山体两侧的无线电天线追踪闪电路径，利用两个独立的高速摄像机对闪电进行拍摄，观察激光转移上行闪电的放电过程，从中发现了闪电跟着激光走的现象。2021年7月24日，尽管天空非常明朗，但研究人员仍获得了闪电的图像，从中可以清楚地观察到闪电被激光成功地引导到50米以外。而其他3个实例也都证实了激光细丝对闪电具有高效的引导作用。
闪电被激光成功地引导到50米以外，使保护面的半径从120米增加到180米。同时，数据分析还表明，“激光避雷针”能穿透云层，即使在像有雾之类的恶劣天气条件下也能工作。这是第一个通过实例证明由短而强的激光脉冲形成的细丝可以在相当长的距离内有效引导闪电放电的实验。得益于它的灵活性、有效性和易得性，这一激光避雷技术不仅是现有避雷针被动防护方法的有效拓展，而且将对未来建筑的防雷、避雷设计产生重要影响。这项研究不仅是人类自发明避雷针以来最重要的防雷技术突破，也为激光在大气层的新应用铺平了道路，在通信、林业、交通、电力、石化等领域的主动避雷方面具有重要的应用前景。
