Физики научились точно направлять молнии лазером: как это работает

Еще с XVIII века у человечества достаточно эффективное средство борьбы с молниями – громоотвод. Он выполняет простую задачу – так сказать, отводит внимание молнии на себя, во время грозы, чтобы она ударила в металлический стержень запихнутый в землю, а не в соседнее здание, антенну, столб или другую структуру.

Не пропустите Насколько холодно в космосе: какие процессы влияют на температуру Вселенной

В общем громоотвод очень хорошо выполняет свою функцию, однако ученые то ли из любопытства, то ли от скуки решили изобрести способ, который больше подходит XXI веку. А что может быть более технологичным и футуристическим, чем лазеры.

Как работает новый способ отвода молний

Идея лазерного отвода молнии основана на филаментации луча (распространение пучка света в среде без дифракции). По мере распространения в атмосфере достаточно сильный луч самофокусируется. Самофокусировка сопровождается ростом интенсивности, большое значение которой ионизирует воздух.

Свободные электроны рассеивают луч, поэтому он проходит некоторое расстояние в условиях динамической конкуренции между этими двумя эффектами. В результате в воздухе на миллисекунды образуется узкий длинный плазменный канал, обладающий высокой проводимостью и поэтому притягивающий молнии.

Башня Сентис имеет высоту 124 метра и расположена на высоте в два с половиной километра над уровнем моря. Это очень популярный объект в среде физиков, занимающихся исследованием молний. Дело в том, что молнии бьют у нее в среднем сто раз в год.

Фото башни Сентис с длинной выдержкой, чтобы продемонстрировать луч лазера / Фото arxiv

Группа ученых, подготовившая исследование, устанавливала лазер у основания и направляла луч почти параллельно башне. Это был лазер, испускающий за одну секунду тысячу пикосекундных импульсов с длиной волны 1030 нанометров и энергией 500 миллиджоулов (Yb:YAG лазер).

Основываясь на лабораторных исследованиях, физики настраивали установку таким образом, чтобы филамент начинался практически сразу у острия башенного громоотвода и достигал не менее 30 метров вверх.

Интересно Аномальная жара во Франции приводит к перегреву ядерных реакторов.

Интересные детали эксперимента

Измерения показывают, что за 9 лет 84 процента молний, бьющих в башню Сентис – отрицательные (т.е. отрицательный заряд эффективно переносится к земле), 11 процентов – положительные и 5 процентов – биполярные.

Однако все четыре молнии, стимулируемые лазером, оказались положительными. Лишь в одном случае небо было достаточно чистым, чтобы снять разряд на видео с двух точек наблюдения. На записи видно, что ломаная молния следует за лазерным лучом в течение 50 метров. При этом у нее отсутствуют разветвления, в отличие от обычных молний.

Кадры из видео: управляемая молния сверху, обычная снизу / Фото arxiv

В ходе эксперимента авторы пришли к выводу, что ключом к успеху оказалась высокая частота повторения лазерных импульсов.

Читайте на сайте Компания, высаживающая деревья для компенсации выбросов углерода, случайно повлекла за собой лесной пожар

Во время филаментации небольшая часть свободных электронов, созданных ионизацией в сильном лазерном поле, увлекается нейтральными молекулами кислорода. При высокой частоте повторения лазера эти долгоживущие заряженные молекулы кислорода накапливаются, сохраняя память о лазерном пути в малой энергии отрыва, что облегчает распространение разряда.

Кроме того, физики провели расчеты, подтвердившие, что в сложившихся условиях положительные молнии потребуют меньшего электрического поля, чем отрицательные. И хотя их результаты пока нельзя назвать работающим лазерным громоотводом, ученые доказали его принципиальную возможность, а также указали направление оптимизации этого процесса.