避雷針は、ベンジャミン・フランクリンの時代から、落雷を安全に地中に誘導するために使われてきたが、その範囲は短く（高さとほぼ同じ半径）、固定式であるため、広い範囲を保護するには不向きだった。しかし、四半世紀以上続いたこの状況がついに変わるかも知れない。
フランス、パレゾーのパリ工科大学の物理学者 Aurélien Houard氏らは、1月16日付の『Nature Photonics』オンライン版で報告した論文の中で、テラワットレベルのレーザーパルスを使用して、8mのロッドに向かって落雷を誘導するシステムのテストに成功した事を発表した。このシステムは、高さに制限されず、雲や霧を透過しながら、より広い範囲をカバーすることが出来ると言う。
そもそも稲妻を誘導する基本的な課題は、荷電粒子を発生させる大気現象が避雷針に対してかなりの高度で発生することだ。そのため、雷は避雷針を介さずに地上に到達する経路を見つけることができてしまう。
レーザーを使って雷を誘導するというアイデアは古くからあり、1970年代に初めて考案された。十分な強度を持つレーザー光は、それが通過する空気と複雑な関係にある。レーザーを照射すると、空気中の電子が変化してレーザーが集光される一方、電子が放出されるとレーザーが拡散される傾向がある。一方、光を吸収する大気中の分子は熱を帯びてレーザーの通り道から飛び出し、レーザーの航跡に低圧の道ができる。この低圧フィラメントに残された粒子の多くは帯電しており、雷の通り道となる可能性があることが重要だ。
また、レーザーパルスの形状を工夫することで、このフィラメントの発生をレーザー光源から1キロメートル離れた場所までコントロールすることも可能となる。
しかし、レーザーで雷を誘導しようとする以前の試みは、期待はずれの結果だった。だがこの考え自体は間違っていないとみられており、研究者らは改良を続けた。そして、今回研究者チームはスイスのアルプス山脈にあるゼンティスという大きな通信塔の根元付近に高出力レーザーを設置することにした。この通信塔は、通常1年に100回ほど雷に打たれる環境にある。
周波数もさることながら、このタワーは雷を研究するための設備が整っているため、今回の実験には絶好の場所なのだ。避雷針に流れる電流や周辺の電磁場を測定する装置や、X線などさまざまな波長で撮影することができる。
加えて、レーザー技術の進歩も大きなカギだった。今回のレーザーは、1キロヘルツの周波数で発振することができる。これは、これまでこの種の作業に使われてきたレーザーの100倍以上の発振速度だ。研究者らは、この高速サイクルを含むモデルによって、空気中に荷電粒子のより持続的なフィラメントが形成されることを示唆していることを明らかにした。
Houard氏らは、2021年7月から9月にかけての雷雨の際に、合計6時間ほどレーザーを空に向けて照射した。
レーザーは、1秒間に約1,000回、短くて強い赤外線を雲に向かって発射します。この光パルスが空気分子から電子を引き離し、空気分子を邪魔して、低密度の帯電プラズマの道を切り開いたのだ。まるで、森に道を作り、舗装するようなものだ。この効果の組み合わせにより、電流がこのルートに沿って流れやすくなった。その結果、雷が空を飛ぶための最も抵抗の少ない道ができたのだ。
Houard氏のチームは、この導電性の経路がタワーの先端のすぐ上に形成されるように、レーザーを調整した。これにより、レーザーに引っかかった稲妻がレーザー機器に到達する前に、タワーの避雷針がそれを阻止することができた。
レーザーを照射している間、タワーには4回の落雷があった。そのうちの1回は晴天で、2台の高速度カメラでその瞬間をとらえた。その映像には、雲からジグザグに落ちてくる雷が、タワーの避雷針に向かって50メートルほどレーザー光を追っている様子が写っていた。
研究者たちは、目に見えない3本の稲妻の経路を追跡するために、稲妻が発する電波を調べた。その結果、3本の稲妻は、レーザーが停止しているときに発生した他の稲妻よりも、レーザーの軌道に近いことが分かった。これは、レーザーがこの3本の落雷を避雷針に導いたことを示唆している。
Houard氏らは、「この研究は、超短パルスレーザーの新しい大気中への応用への道を開くものであり、空港、発射台、または大規模なインフラストラクチャのためのレーザーベースの雷防護の開発における重要な前進を意味します」と結論づけている。
論文
- Nature Photonics: Laser-guided lightning
参考文献
研究の要旨
帯電した雲と地表の間で発生する雷放電は、大きな被害と犠牲者を出している。そのため、従来のフランクリン・ロッドに加え、より優れた保護手段を開発することが重要である。今回、私たちは、短時間の強いレーザーパルスによって上空に形成されるレーザー誘起フィラメントが、雷放電をかなりの距離まで誘導できることを初めて実証した。この実験的なブレークスルーは、雷保護と雷物理学の進歩につながると考えている。2021年夏、スイス北東部のゼンティス山で、高繰り返しテラワットレーザーを用いた実験キャンペーンが行われた。上向きの負電流リーダーの50mにわたる誘導を、2台の別々の高速カメラで記録した。レーザーフィラメントによる負電流リーダーの誘導は、他の3例で超高周波干渉計測により裏付けられ、誘導雷の際に検出されるX線バーストの数が大幅に増加した。この研究分野は20年以上前から活発に行われているが、レーザーによる誘導雷を実験的に実証したのは今回が初めてだ。この成果は、超短パルスレーザーの新たな大気圏内応用への道を開くとともに、空港や発射台、大規模インフラにおけるレーザーベースの雷防護の開発における重要な一歩となるものだ。
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