Лазер пробил облако на молнию

Молнии, сопровождающие грозы, пугают человека своей загадочностью уже не первое тысячелетие. И, хотя мало кого в настоящее время беспокоят предрассудки по поводу гнева богов, а их природа в общем и целом понятна, это природное явление до сих пор остается слабо изученным. Все дело в том, что молния – очень неудобный объект для проведения численных измерений и исследований in situ, так как по природе своей случайна.

Идея провоцирования молний в нужное время и в нужном месте занимает учёных уже давно. Даже громоотвод, придуманный Бенджамином Франклином, вырос из его опытов по искусственному провоцированию молнии ещё в XVIII веке. Франклин, портрет которого украшает ныне стодолларовую купюру, пользовался для этой цели длинными шёлковыми нитями, привязанными к воздушным змеям.

Сейчас учёные с той же целью запускают в небо небольшие ракетные снаряды, к которым привязана тонкая медная проволочка. Эта проволочка и служит необходимым контактом между небом и землей и часто позволяет спровоцировать разряд. Однако ракет на измерения не напасешься, потому уже с 1970-х годов ученые пытаются приспособить для этих целей лазерное излучение.

Почти 40 лет эти попытки были безуспешными. Оказалось, что мощное лазерное излучение создает горячую и плотную плазму, которая закрывает лазерному излучении путь дальше в облако. Длинного токопроводящего ионного канала между небом и землей не создается, и энергия импульса рассеивается.

В последнем выпуске журнала Optics Express опубликована работа, группы европейских ученых, которые наконец научились вызывать молнии с помощью ультракоротких лазерных импульсов.

Секрет успеха именно в короткой продолжительности импульсов. Снизив её до значений порядка ста фемтосекунд (10^-13, или 0,000 000 000 000 1 секунды), учёные смогли добиться эффективной туннельной многофотонной ионизации воздуха даже при очень небольших энергиях ионизации – около нескольких мДж на каждый импульс. При этом короткий импульс не оставляет шансов каскадной ионизации воздуха, которая разрушает фокусированный и длинный ионный канал даже более мощных, но более продолжительных импульсах.

В результате ученым удалось получать участки относительно холодной и достаточно разреженной плазмы вдоль лазерного луча с плотностью электронов порядка 10¹⁶ штук на кубический сантиметр. Этого вполне достаточно, чтобы вызвать молнию: уровень концентрации свободных электронов, необходимый для инициации разряда молнии в атмосфере, составляет 5х10¹¹ см^-3.

C помощью новой технологии лазерного провоцирования искровых разрядов ученым удалось многократно вызывать молнии в одних и тех же участках нижних слоёв облаков во время грозы, бушевавшей над «Южной Лысой горой» (пик Саут-Бэлди) в американском штате Нью-Мексико. Недалеко от вершины, расположенной в трёх километрах над уровнем моря, расположена американская лаборатория имени Ленгмюра, считающаяся одним из лучших мировых центров по исследованию атмосферных разрядов.

Для того чтобы вызвать разряд между облаками и землей, лазерным каналам пока не хватает длины и времени жизни, однако и этот успех изрядно воодушевил ученых.

Как пояснил Джером Каспарян – ведущий автор публикации из Лионского университета во Франции, его команда смогла получить так называемые прекурсоры (исходные фрагменты) для генерации мощных коронарных разрядов между грозовыми облаками и землей. В дальнейшем использование более сложных последовательностей лазерных импульсов позволит им создавать более долгоживущие и длинные каналы проводимости и вызывать полноценные гигантские искры.

Технология запуска грозовых разрядов с помощью лазерных импульсов важна не только с точки зрения фундаментального исследования атмосферных процессов. Ученые в скором времени смогут более точно оценивать восприимчивость к природным молниям самолетов и линий электропередачи.

Работа Каспаряна в рамках совместного проекта Французского национального центра научных исследований (CNRS) и Немецкого исследовательского фонда (DFG) заключалась в создании мобильной установки по созданию лазерных каналов для природных электрических разрядов. Во время испытаний команда исследователей фиксировала электрическую активность облаков после испускания каждого из импульсов. На основании статистических подсчетов ученые смогли обоснованно сказать, что их импульсы приводили к небольшим локальным разрядам в нижних слоях грозовых туч. Искры длиной до 10 метров, как оказалось, не успевали распространяться на большее расстояние, так как ионные каналы быстро разрушались после формирования.

В будущем, чтобы избежать диссипации этих каналов ученые надеются применить более мощные (примерно на порядок) лазерные установки, а так же использовать целые последовательности коротких импульсов. Это позволит избежать «самоблокировки» лазерного импульса и одновременно удлинить проводящий канал.

Ученые пока не распространяются на тему бытового или военного использования своих мобильных лазерных установок.

Сейчас их технология искусственного стимулирования грозовых разрядов вряд ли покажется уместной альтернативой добрым старым громоотводам. Однако ещё несколько десятилетий назад мало кто верил и в то, что от дождя можно защититься не зонтиком, а распыляемыми с самолётов химическими реагентами – спровоцировав выпадение осадков задолго до того, как тучи доберутся до, например, Красной площади, по которой проходит военный парад.

Управление погодой – давняя мечта человека. Возможно, когда-нибудь разгонять можно будет не только облака, но и грозовые тучи. Смогут ли военные когда-нибудь превратиться в громовержцев, способных посылать молнии на головы врагов, покажут лишь дальнейшие исследования. «Газета.Ru» обязательно расскажет о дальнейших успехах на этом направлении. Если, конечно, гнев военных не обрушится на нас.