Впервые молнии перенаправлены с помощью лазера

Европейскому консорциуму, координируемому Лабораторией прикладной оптики Парижского политехнического института в сотрудничестве с Женевским университетом, Политехнической школой Лозанны и компанией TRUMPF Scientific Lasers, удалось отклонить путь молнии с помощью мощного лазера, установленного на вершине горы Сэнтис в Швейцарских Альпах. Система, названная «Лазерный молниеотвод», может помочь лучше защитить людей, здания и крупные объекты инфраструктуры во время грозы.

Сегодня только обычные молниеотводы могут защитить самые высокие сооружения. Изобретенная в 1752 году Бенджамином Франклином, система — которая с тех пор практически не претерпела изменений — состоит из установленного на высоте металлического стержня, соединенного с опускающимися вниз проводниками, которые передают электрическую энергию в землю, где она рассеивается. Однако защищенная зона ограничивается несколькими метрами или десятками метров, не более. Согласно спутниковым данным, общая частота ударов молнии в мире составляет от 40 до 120 ударов в секунду. Ежегодно удары молнии становятся причиной гибели тысяч людей и причинения материального ущерба на десятки миллиардов долларов.

Поскольку экстремальные погодные явления, включая грозы, становятся все более частыми, становится необходимым найти более совершенную систему защиты, особенно для критически важных объектов, таких как аэропорты, ветряные электростанции или атомные электростанции. Поэтому физик Орельен Уар и его коллеги разработали новую систему защиты с использованием лазерной филаментации. На вершине Сэнтиса находится большая телекоммуникационная вышка высотой 124 метра — одно из самых часто поражаемых сооружений в Европе, в которое ежегодно ударяет около 100 молний. Поэтому это было идеальное место для испытания нового вида громоотвода.

Лазер для создания ионизированных воздушных каналов

Целью было создание каналов ионизированного (т.е. проводящего) воздуха для направления молнии. Для этого исследователи излучали мощные лазерные импульсы в атмосферу: это изменяло коэффициент преломления воздуха, заставляя лазерный импульс сжиматься и усиливаться, «подобно самогенерирующейся серии все более сходящихся линз«, — объясняют исследователи. Лазерный импульс в конечном итоге становится достаточно интенсивным, чтобы ионизировать окружающие молекулы азота и кислорода — это явление называется лазерной филаментацией.

Затем образуется цепочка «нитей», внутри которых молекулы воздуха быстро нагреваются под действием поглощенной лазерной энергии и затем вылетают со сверхзвуковой скоростью, оставляя после себя каналы ионизированного воздуха пониженной плотности. «Эти миллисекундные каналы низкой плотности обладают более высокой электронной проводимостью и поэтому обеспечивают предпочтительный путь для электрических разрядов», — говорит команда. Длина ионизированной филаментации может достигать сотни метров, когда мощность начального импульса пикосекундной длительности составляет порядка тераватта (1012 Вт).

Летом 2021 года команда воспользовалась грозой для проведения эксперимента: они использовали лазер со средней мощностью в один киловатт, одним джоулем на импульс и длительностью импульса в одну пикосекунду, разработанный компанией TRUMPF Scientific Lasers. Устройство длиной восемь метров и весом более трех тонн было установлено на высоте 2500 метров на горе Сэнтис, которая уже хорошо оснащена различными датчиками и приборами для мониторинга молний.

Лазерный луч был направлен над телекоммуникационной вышкой, оснащенной традиционным молниеотводом, и активировался всякий раз, когда прогнозировалась грозовая активность. «Цель заключалась в том, чтобы увидеть, есть ли разница с лазером или без него. Поэтому мы сравнили данные, полученные, когда лазерная нить была произведена над башней и когда в башню ударила молния естественным образом«, — объясняет Орельен Уар.

Молния отклоняется на несколько десятков метров

В период с 21 июля по 30 сентября 2021 года лазер работал в общей сложности 6,3 часа во время грозы, прошедшей в радиусе трех километров от башни. За этот период в башню ударило не менее 16 молний, четыре из которых произошли во время работы лазера. Начиная с первой лазерной молнии, исследователи обнаружили, что разряд может следовать за лучом на протяжении нескольких десятков метров, прежде чем достигнет башни, увеличивая при этом радиус защитной поверхности.

21 июля условия были подходящими для видеосъемки: исследователи смогли проследить путь молнии в двух направлениях с помощью высокоскоростных камер на расстоянии нескольких километров. На снимках видно, что молния действительно последовала за траекторией лазера, вверх, на расстояние около 50 метров.

«Хотя эта область исследований очень активна уже более 20 лет, это первый результат, экспериментально демонстрирующий молнию, управляемую лазером«, — отмечает команда в статье, описывающей эксперимент, опубликованной в журнале Nature Photonics. Впервые эта идея была предложена в 1970-х годах Леонардом М. Боллом. Однако проведенные до сих пор немногочисленные полевые испытания не дали никаких доказательств лазерного наведения или инициирования разряда молнии.

Используемый здесь лазер производит до тысячи импульсов в секунду — скорость на два порядка выше, чем в предыдущих попытках, — что позволяет лучу перехватывать любые предвестники молнии, формирующиеся над башней. Любопытно, что хотя за девять лет наблюдений на башне Сантис в отсутствие лазеров было зарегистрировано 84% отрицательных вспышек, 11% положительных вспышек и 5% биполярных вспышек, все четыре зарегистрированных лазерных события были положительными вспышками, связывающими вершину башни с центром положительного заряда в облаке. Это может быть связано с условиями электрического поля, необходимыми для возникновения разряда, заполняющего промежуток между нижним кончиком нити накала и металлическим стержнем на вершине башни.

Следующим шагом консорциума является увеличение высоты лазера. Конечная цель — удлинить 10-метровый молниеотвод на 500 метров. Более мощные лазеры, работающие на разных длинах волн, могли бы направлять молнии на большие расстояния и даже запускать их до того, как они станут угрозой, говорит Хуард.