Физики научились направлять молнии лазером

Физики из нескольких стран сообщили об успешном применении мощного лазера для управления распространением молний. Для этого они в течение двух месяцев во время грозы подсвечивали пространство над башней Сентис, расположенной в горах Швейцарии. Из 16 молний, ударивших в башню за время наблюдения, четыре были стимулированы лазером. Ознакомиться с исследованием можно по препринту на arXiv.org.

Обновлено: 16 января 2023 года статья опубликована в журнале Nature Photonics.

Ежесекундно в атмосфере Земли происходит от 40 до 120 разрядов молний, как между облаками, так и между облаком и землей. Последний тип молний особенно опасен. Последние оценки показывают, что в среднем молнии убивают за год более четырех тысяч человек, а ущерб экономике от них исчисляется миллиардами долларов. Самым молниеопасным местом на планете признано озеро Маракайбо в Венесуэле — молнии там бьют до 90 раз за сутки.

Традиционным средством защиты от молний стали громоотводы, представляющие собой высокий металлический шест, воткнутый в землю. Задача громоотвода — стать наиболее предпочтительным каналом разряда для молнии, защитив таким образом окружающие здания и людей. Его изобретение в XVIII веке приписывают Бенджамину Франклину, хотя ряд исследователей считает, что первый громоотвод был сооружен на вершине Невьянской башни в России за четверть века до открытия Франклина.

В XX веке физики стали искать альтернативные способы защиты от молний. Так, Ньюман предложил использовать небольшие ракеты с закрепленными к ним проводам, чтобы контролируемо разряжать облака. Запуск в нужное время и при правильных условиях позволил довести успешность этого метода до 90 процентов. К недостаткам метода можно отнести постоянный расход ракет и проводов, а также падающие обломки, что делает этот метод неприменимым в жилых районах. Тем не менее метод Ньюмана часто используют исследователи молний.

Другой подход основан на стимулированном разряде молний за счет лазерного излучения. Впервые он был предложен Боллом в 1974 году, а в 1999 году с помощью трех лазеров с килоджоулевыми энергиями импульсов физики смогли зажечь в атмосфере двухметровый разряд. Тем не менее, несмотря на несколько попыток, ученые так и не смогли научиться управлять молниями целиком.

Существенный шаг в этом направлении сделала группа физиков Германии, США, Франции и Швейцарии под руководством Орельена Хуара (Aurélien Houard) из Политехнической школы в Париже. В период с 21 июля по 30 сентября 2021 года физики обстреливали лазером пространство над башней Сентис (Швейцария) в те моменты, когда в радиусе трех километров над ней возникала грозовая активность (суммарно 6,3 часа работы лазера). За все время измерительной кампании молнии поразили башню 16 раз, 4 из которых — благодаря вспышкам лазера. С помощью множества приборов ученые смогли исследовать излучение от молний в самом широком электромагнитном диапазоне, а одну из них даже снять на видео.

Идея лазерного молниеотведения основана на филаментации луча. 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 потому притягивающий молнии.

124-метровая башня Сентис, расположенная на высоте двух с половиной километров над уровнем моря, популярна у физиков, исследующих грозовые разряды, благодаря тому, что молнии бьют в нее в среднем сто раз в год. Авторы устанавливали лазер у ее основания и направляли луч почти параллельно башне. Это был Yb:YAG лазер, испускающий за одну секунду тысячу пикосекундных импульсов с длиной волны 1030 нанометров и энергией 500 миллиджоулей. Базируясь на лабораторных исследованиях, физики настраивали установку таким образом, чтобы филамент начинался практически сразу у острия башенного громоотвода и простирался как минимум на 30 метров вверх.

По статистике, собранной за девять лет измерений, 84 процента молний, бьющие в башню Сентис, — отрицательные (то есть отрицательный заряд эффективно переносится к земле), 11 процентов — положительные и 5 процентов — биполярные. Однако все четыре молнии, стимулированные лазером, оказались положительными. Лишь в одном случае небо было достаточно чистым, чтобы можно было снять разряд на видео с двух точек наблюдения. На записи видно, что ломаная молния следует за лазерным лучом на протяжении 50 метров. В этой окрестности у нее отсутствуют ветвления, в отличие от обычных молний.

Особенностями обладали и другие физические свойства молний. Так, интерферометр метровых радиоволн, который позволял определить источник вспышки с пространственным разрешением в несколько метров и временным — несколько микросекунд, показал, что лазерные молнии в среднем на четверть уже, чем обычные. Также они излучали в четыре раза меньше рентгеновских вспышек, хотя характерные значения протекающего в них электрического тока и создаваемого ими электрического поля были такие же, как у обычных молний.

Сравнивая свои результаты с неудачными попытками своих предшественников, авторы заключили, что ключом к успеху оказалась высокая частота повторения лазерных импульсов. Во время филаментации небольшая часть свободных электронов, созданных ионизацией в сильном лазерном поле, захватывается 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, которые подтвердили, что в созданных условиях положительные молнии будут требовать меньшего электрического поля, нежели отрицательные. И хотя их результаты пока нельзя назвать работающим лазерным громоотводом, ученые доказали его принципиальную возможность, а также указали направление оптимизации этого процесса.

Молнии — это одно из самых сложных атмосферных электрических явлений. Их с полной уверенностью можно назвать и природными синхротронами, генерирующими вспышки рентгеновского и гамма-излучения, и природными ядерными реакторами, производящими радиоактивные изотопы.

Марат Хамадеев