Физика

Когда Бенджамин Франклин запустил свой знаменитый воздушный змей в грозовое небо в 1752 году, он обеспечил преимущественный путь для накопленного в облаках заряда, чтобы достичь земли. Обновленная версия змея Франклина в XXI веке представляет собой лазер, запускаемый в атмосферу. Находясь на швейцарской горе, исследователи показали, что луч мощного лазера обеспечивает предпочтительный путь для молний [1]. Такая лазерная система однажды сможет обеспечить молниезащиту чувствительных объектов, таких как аэропорты, стартовые площадки для ракет и ветряные электростанции.

Ущерб, причиняемый молнией, который, по оценкам, приносит в США ущерб в миллиарды долларов в год, можно уменьшить, контролируя направление электрического разряда. «В настоящее время единственной доступной защитой от молнии является классический громоотвод Франклина», — говорит Орельен Уар, член исследовательской группы из Политехнической школы в Париже. Эти высокие металлические стержни являются хорошими проводниками и обеспечивают путь наименьшего сопротивления от облаков к земле. Но эта защита предоставляется только объектам, находящимся на определенном расстоянии от стержня, примерно определяемом высотой стержня. Установка более высокого стержня защитит большую площадь, но это решение не всегда практично.

«Идея использования лазера состоит в том, чтобы создать удлинение металлического стержня, высота которого теоретически может достигать нескольких сотен метров или километра», — говорит Хоуард. В отличие от металлической конструкции, лазерный «стержень» можно было включить только тогда, когда небо угрожало.

Лазерное наведение молнии было впервые предложено в 1974 году, и несколько экспериментов подтвердили основную концепцию в лабораторных условиях. Однако продемонстрировать систему в полевых условиях оказалось сложнее. Некоторые испытания оказались неудачными, и шторм ни разу не приблизился к лазеру. «Молния очень непредсказуема», — говорит Хоуард. «Возможно, вам придется очень долго ждать, чтобы увидеть забастовку». И просто увидеть одно событие недостаточно: исследователям необходимо собрать статистику, чтобы быть уверенными, что лазер оказывает заметный эффект.

Чтобы увеличить свои шансы, Хоуард и его коллеги провели свой лазерный эксперимент в одном из самых грозовых мест Европы: на горе Сентис на северо-востоке Швейцарии. Эту гору высотой 2500 м (8000 футов) увенчивает 30-этажная телекоммуникационная башня, в которую ударяет молния примерно 100 раз в год. Летом 2021 года Хоуард и его коллеги установили на горе тераваттный лазер размером с автомобиль с целью проверить, можно ли направлять пути молний с помощью лазерного света.

В начале своей кампании исследователи полагались на сводки погоды, чтобы предупредить их о приближающихся грозах, но прогнозы часто оказывались неверными, и команда упускала некоторые возможности. «Мы решили переночевать на горе, чтобы быть готовыми запустить лазер, если ночью грянет молния», — говорит Хоуард. Им также приходилось предупреждать близлежащий аэропорт всякий раз, когда они планировали запустить лазер, поскольку существовал риск того, что свет мог повредить глаза людям в самолетах, пролетающих над головой.

Когда метеорологические условия наступили, команда направила лазер в небо и выпустила пикосекундные импульсы с частотой повторения 1 кГц. Сфокусировав инфракрасный лазерный свет в точке возле вершины башни, исследователи достигли интенсивности, необходимой для создания нелинейного оптического эффекта, при котором лазерный свет разделяется на множество тонких «нитей», которые распространяются, не растекаясь (см. : Воздушный волновод из лазерных лучей «Пончик»). Эти потоки высокой интенсивности нагревают воздух, создавая каналы ионизированного газа или «плазмы», длина которых может достигать 50 метров. Такие плазменные каналы являются проводящими, как металлический стержень, поэтому ожидается, что они обеспечат предпочтительный путь для молнии.

В течение двух месяцев исследователи работали с лазером в общей сложности шесть часов. За это время в башню ударило 16 молний. На основе визуальных и радионаблюдений команда обнаружила, что четыре из этих ударов на определенной части траектории были направлены лазером. На фотографиях одного из таких событий отчетливо видна молния с прямым участком, соответствовавшая 50-метровому плазменному каналу от лазера. Остальные три удара были измерены с помощью антенн на горе, которые регистрируют радиоизлучение от грозовых разрядов. Анализ этих радиоданных, проведенный командой, показал, что эти удары снова были ориентированы на траекторию лазера.