Ще з XVIII століття людство має доволі ефективний засіб боротьби з блискавицями – громовідвід. Він виконує просте завдання – так би мовити, відводить увагу блискавки на себе, під час грози, щоб вона вдарила у металевий стержень запхнутий в землю, а не в сусідню будівлю, антену, стовп чи іншу структуру.
Не пропустіть Наскільки холодно у космосі: які процеси впливають на температуру Всесвіту
Загалом громовідвід дуже добре виконує свою функцію, однак вчені чи то з цікавості, чи від нудьги вирішили винайти спосіб, який більше личитиме XXI століттю. А що може бути більше технологічним та футуристичним аніж лазери.
Як працює новий спосіб відведення блискавиць
Ідея лазерного відведення блискавки заснована на філаментації променя (поширення пучка світла у середовищі без дифракції). У міру поширення в атмосфері досить сильний промінь самофокусується. Самофокусування супроводжується зростанням інтенсивності, велике значення якої іонізує повітря.
Вільні електрони розсіюють промінь, тому він проходить деяку відстань за умов динамічної конкуренції між цими двома ефектами. В результаті у повітрі на мілісекунди утворюється вузький довгий плазмовий канал, що має високу провідність і тому притягує блискавки.
Вежа Сентіс має висоту 124 метри і розташована на висоті в два з половиною кілометри над рівнем моря. Це дуже популярний об'єкт в середовищі фізиків, які займаються дослідженням блискавок. Річ у тім, що блискавки б'ють у неї в середньому сто разів на рік.
Фото вежі Сентіс з довгою витримкою, щоб продемонструвати промінь лазера / Фото arxiv
Група вчених, яка підготувала дослідження, встановлювала лазер біля її основи та спрямовувала промінь майже паралельно вежі. Це був лазер, що випускає за одну секунду тисячу пікосекундних імпульсів із довжиною хвилі 1030 нанометрів та енергією 500 міліджоулів (Yb:YAG лазер).
Базуючись на лабораторних дослідженнях, фізики налаштовували установку таким чином, щоб філамент починався практично відразу біля вістря баштового громовідводу і сягав щонайменше на 30 метрів вгору.
Цікаво Аномальна спека у Франції призводить до перегріву ядерних реакторів
Цікаві деталі експерименту
Вимірювання показують, що за 9 років 84 відсотки блискавок, що б'ють у вежу Сентіс, – негативні (тобто негативний заряд ефективно переноситься до землі), 11 відсотків – позитивні та 5 відсотків – біполярні.
Однак усі чотири блискавки, стимульовані лазером, виявилися позитивними. Лише в одному випадку небо було досить чистим, щоб можна було зняти розряд на відео із двох точок спостереження. На записі видно, що ламана блискавка слідує за лазерним променем протягом 50 метрів. При цьому у неї відсутні розгалуження, на відмінну від звичайних блискавок.
Кадри з відео: керована блискавка зверху, звичайна знизу / Фото arxiv
У ході експерименту автори дійшли висновку, що ключем до успіху виявилася висока частота повторення лазерних імпульсів.
Читайте на сайті Компанія, що висаджує дерева для компенсації викидів вуглецю, випадково спричинила лісову пожежу
Під час філаментації невелика частина вільних електронів, створених іонізацією у сильному лазерному полі, захоплюється нейтральними молекулами кисню. При високій частоті повторення лазера ці довгоживучі заряджені молекули кисню накопичуються, зберігаючи пам'ять про лазерний шлях у малій енергії відриву, що полегшує поширення розряду.
Крім того, фізики провели розрахунки, які підтвердили, що у створених умовах позитивні блискавки вимагатимуть меншого електричного поля, ніж негативні. І хоча їх результати поки не можна назвати працюючим лазерним громовідведенням, вчені довели його принципову можливість, а також вказали напрямок оптимізації цього процесу.