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閃電來自於厚重的積雨雲內部的粒子摩擦產生的電位差，當積雨雲下層的負電荷累積到一定的程度，強大的電位能足以衝破雲層與雲層或地表間的大氣隔閡時，便會在瞬間釋出強大的電流，也就是我們所知的閃電。閃電瞬間釋放的能量非常巨大，因此在高處或者空曠處的建築物，都需要安裝避雷針來避免閃電電擊的危害。今（2023）年發表在《自然科學光電》（Nature Photonics）期刊上的研究，證實了快速發射的雷射具有做為避雷針引導雷擊的效果，有機會成為大型避雷設施研發的基礎。

根據衛星數據統計，全球每秒有40∼120次的閃電，造成許多器材破壞與人員傷亡，每年雷擊造成的損失可達數十億美元。目前最普遍使用的防護設備是18世紀由美國科學家富蘭克林（Benjamin Franklin）發明的避雷針。避雷針由突出的金屬導電桿組成，主要原理是利用「尖端放電」（corona discharge）的特性，誘使雲層中的電荷透過避雷針「放電」，並且導引閃電經由避雷針安全釋放，因而可以保護周圍的建築物與設備免於雷擊。

避雷針往往需要設置在區域範圍的最高處，由於金屬製的避雷針尺寸與高度受到物理上的限制，也就代表了避雷針所能保護的範圍相當受限。在理論上與過去的實驗室測試都顯示，雷射有機會導引雷擊的方向，也就是說可作為避雷針或具有輔助避雷針的功能。如果對天空發射高頻率、高強度、短波長的雷射，雷射光首先會在空氣中發生折射率的變化，進而使雷射收縮聚集；聚集為細絲狀的雷射脈衝若足夠強烈，就可以進一步使途經的空氣分子產生電離。在空氣分子被電離的細窄區域會成為一個電阻較低的路徑，電流要通過會更加容易，理論上可以引導閃電的路線，也就達成了避雷針的效果。然而雖然通過雷射導引閃電的方式已經在實驗室環境中進行過研究，但過去相關的戶外實地實驗並沒有成功。

由法國、瑞士等國組成的研究團隊，2021年夏天在瑞士東部的阿爾卑斯山森蒂斯峰（Mount Santis）、海拔約2500公尺的環境下，使用每秒達1000次發射頻率的 高速雷射進行測試。設備裝設於一座高約124公尺的電信塔周圍，這座塔每年會被雷擊約100次。在十週的觀察期間內，團隊使用高速攝影機拍到閃電沿著雷射路徑移動約50公尺，並且有三次雷擊受到了影響，顯示雷射的確有做為避雷針的效果，這也是科學家首度在現實環境中驗證了雷射可以引導閃電路徑的理論。

此一結果相當令人振奮，由於雷射可以達到遠比金屬避雷針更高的天空，預計雷射的「虛擬避雷針」可以保護的範圍會更大。雖然相關的理論獲得了驗證，但若真正走向應用，後續還有很多研究待進行。

新聞來源
1. Houard, A., et al. (2023). Laser-guided lightning. Nature Photonics, 1-5.
2. Gibney, E. (16 January 2023). This rapid-fire laser diverts lightning strikes. Nature. https://reurl.cc/586O5v