Команда вчених випробувала лазерний блискавичник — спосіб відведення струму блискавки за допомогою лазера. Протягом трьох місяців інтенсивні лазерні імпульси пускали з гори Сентіс, що у Швейцарії, щоб використати їх для відведення ударів блискавок. У підсумку на високошвидкісні камери вдалося записати, як розряд блискавки прослідував за траєкторією лазера, що підтвердилося і роботою інтерферометра, який фіксував випромінювання. Це перша демонстрація лазера як блискавичника на природній блискавці. Результати роботи представили на конференції COFIL 2022. Вони доступні на сервісі препринтів arXiv.
TRUMPF / Martin Stollberg
Як відводять блискавки?
Електричні струми, які циркулюють між зарядженими хмарами і земною поверхнею під час блискавок, можуть нанести значних руйнувань та навіть призвести до жертв. Згідно з супутниковими даними, загальна частота появи блискавок у світі оцінюється від 40 до 120 на секунду, а задокументоване число жертв блискавок сягає 40 тисяч осіб та мільярді доларів на рік збитків. Винайдення найуживанішого засобу захисту від блискавок — блискавичника — приписують Бенджаміну Франкліну, який запропонував перенаправляти струм від блискавки у землю, приймаючи її удар на видовжену металеву конструкцію, наприклад.
Втім, наука про блискавки пропонує й інші методи. Наприклад, у 1965 році вперше випробували «ракетний» спосіб, який також передбачає відведення струму блискавки у землю, однак за допомогою штучного провокування її розряду — запуском ракети на мідному дроті у грозове небо. Успіх цього методу оцінюють у 90 відсотків, але він потребує багато ресурсів, а небезпеку несуть уламки ракети, яку запустили.
Тому у своїй роботі дослідники наукових інститутів Франції, Швейцарії, Німеччини, Швеції та інших країн зібралися на швейцарській горі Сентіс, щоб випробувати метод лазерного відведення блискавок.
TRUMPF / Martin Stollberg
Як працює лазерний блискавичник?
Вперше ідея використати лазери для захисту від ударів блискавок виникла у 1974 році, а вперше випробувати її вдалося у 1999 році. Вона полягає в наступному: у грозові хвилі направляють короткі інтенсивні лазерні імпульси, які переживають процес філаментації — утворюють протяжні тонкі «волокна» з високою концентрацією енергії, вздовж яких нагріваються молекули повітря, поглинаючи енергію. Внаслідок цього у просторі утворюються області зі зниженою щільністю. Вони мають більшу електропровідність, а отже створюють зручніший шлях для електричних зарядів. Власне це і дає можливість скерувати розряд блискавки певним чином і демонструє потенціал лазерів як блискавичників, особливо враховуючи те, що цим процесом філаментації можна керувати.
Схема експерименту. Aurélien Houard et al. / arXiv, 2022
Як відвели блискавки на горі?
І хоча ідея перспективна і здатна за ефективністю конкурувати із традиційними блискавичниками, досі із природними, а не штучними блискавками в умовах лабораторії, її не випробували. Тому вчені і вирішили провести експерименти поблизу 124-метрової телекомунікаційної вежі на вершині гори Сентіс, що зазнає понад сотні ударів блискавок на рік. Вона оснащена і традиційним блискавичником, і датчиками для дослідження блискавок: вимірювання розряду, електромагнітних полів на відстані та спалахів рентгенівського випромінювання. Опираючись на попередні дослідження, автори експерименту відрегулювали лазерну систему із імпульсами по 7 пікосекунд енергією у 500 міліджоулів та довжиною хвилі у 515 нанометрів так, щоб його «ниткоподібна» поведінка з'являлася не вище вершині башти, а довжина філаментів не була меншою за 30 метрів.
Знімки високошвидкісної камери із накладеною траєкторією шляху лазерного імпульсу. Aurélien Houard et al. / arXiv, 2022
Випробування проводили з 21 липня по 30 вересня 2021 — за цей період лазер працював 6,3 години під час грозової активності у межах 3 кілометрів від вежі, а у саму вежу за цей час потрапило не менше 16 блискавок, чотири з яких прийшлося на час активності лазера. Всі чотири удари були висхідними, тобто формувалися з землі (вежі). І завдяки тому, що одна з цих блискавок відбулася за відносно ясного неба, за допомогою камер вченим вдалося зафіксувати траєкторію розряду, які і показали, що розряд блискавки прослідував за траєкторією лазера на 50 метрів. Три інші «впіймані» лазером блискавки відстежили за допомогою інтерферометра.
а - шлях розряду від блискавки під час роботи лазера через 250, 375, 915 і 2750 мілісекунд після його появи, b - блискавка без лазера через 200, 400, 900 і 3000 мілісекунд після розряду. Aurélien Houard et al. / arXiv, 2022
Автори експерименту відзначають, що їхня робота демонструє докази тому, що утворені короткими інтенсивними лазерними імпульсами філаменти здатні перенаправляти грозові розряди на значні відстані та можуть використовуватися разом із традиційними блискавичниками. У майбутніх експериментах дослідники планують випробувати лазер для ініціювання розрядів блискавки безпосередньо у хмарах.
Також раніше ми розповідали про блискавичний рекорд: Всесвітня метеорологічна організація зареєструвала у Північній і Південній Америці дві мегаблискавки, які виявилися рекордними за довжиною і тривалістю. Крім того, кліматологи прогнозують ріст кількості блискавок на 112 відсотків у північних циркумполярних регіонах до кінця століття через зміни клімату. А про наслідки громовиць для здоров'я ми розповідали у матеріалі «Грозова астма».