Експеримент показує, що постріл лазера в небо може відвести блискавку

Не намагайтеся зробити це вдома, але, згідно з новим дослідженням групи вчених, які експериментували з лазерами на вершині швейцарської гори, де стоїть величезна металева телекомунікаційна вежа, випромінювання лазера в небо може запобігти ударам блискавки. Фізик Орельєн Хуар з лабораторії прикладної оптики Французького національного центру наукових досліджень у Парижі та його колеги витримували багатогодинну грозову активність, щоб перевірити, чи може лазер відводити удари блискавки від критичної інфраструктури. У телекомунікаційну вежу блискавка влучає близько 100 разів на рік.

Це схоже на кількість спалахів блискавок, які вражають планету Земля або тріщать між хмарами щосекунди. У сукупності ці удари можуть завдати шкоди аеропортам і стартовим майданчикам на мільярди доларів, не кажучи вже про людей. Наш найкращий захист від ударів блискавки — це стрижень Франкліна, не що інше, як металевий шпиль, винайдений у 18  столітті  Бенджаміном Франкліном, який виявив, що удари блискавки — це зигзагоподібні розряди електрики. Ці стрижні з’єднуються з металевими тросами, які спускаються вниз по будівлях і закріплюються в Землі, розсіюючи енергію блискавки.

Хоуард і його колеги хотіли розробити кращий спосіб захисту від ударів блискавки, борючись із електрикою світлом.

«Хоча ця галузь досліджень була дуже активною протягом більше 20 років, це перший польовий результат, який експериментально демонструє блискавку, керовану лазерами», — пишуть вони у своїй опублікованій статті.

Зі збільшенням екстремальних погодних явищ, спричинених зміною клімату на радарі, блискавкозахист стає все більш важливим. Експериментальна кампанія проходила влітку 2021 року з гори Сентіс на північному сході Швейцарії. Короткі інтенсивні лазерні імпульси були спрямовані в хмари під час серії гроз і успішно відвернули чотири висхідні розряди блискавки від кінчика вежі.

Ще 12 ударів блискавки влучили у вежу під час тих грозових періодів, коли лазер був неактивний. Одного разу, коли небо було достатньо ясним, щоб зафіксувати подію на дві окремі високошвидкісні камери, було зафіксовано удар блискавки, що пройшов шлях лазера на відстані 50 метрів (164 фути). Датчики на телекомунікаційній вежі також зафіксували електричні поля та рентгенівські промені, створені для виявлення активності блискавки та підтвердження її шляху, який ви можете побачити у відтвореному відео нижче.

Для ідеї, яка була вперше висунута в 1974 році та ретельно перевірена в лабораторії, дуже хвилююче бачити, як вона нарешті працює, як задумано, у реальному світі. Кілька попередніх польових випробувань, одне в Мексиці та інше в Сінгапурі, не змогли знайти жодних доказів того, що лазери можуть відбивати удари блискавки.

«Ці попередні результати повинні бути підтверджені додатковими кампаніями з новими конфігураціями», — пишуть Houard та його колеги.

Хоча дослідники все ще з’ясовують, чому лазери спрацювали в їхніх випробуваннях, але не в попередніх експериментах, у них є кілька ідей. Лазер Houard і його колеги використовували до тисячі імпульсів на секунду, набагато швидше, ніж інші використовувані лазери, дозволяючи зеленому променю перехоплювати всі попередники блискавки, що утворюються над вежею. Але зареєстровані лазерні події лише відвертають позитивні спалахи блискавки, які створюються позитивно зарядженою хмарою та генерують негативно заряджені «лідери».

Отже, як це працює?

Як пояснюють Хоуард та його колеги у своїй статті, лазер, спрямований у небо, змінює властивості повітря, що викривляють світло, змушуючи лазерний імпульс стискатися та посилюватися, поки він не почне іонізувати молекули повітря. Цей процес називається філаментацією. Молекули повітря швидко нагріваються на шляху лазера, поглинаючи його енергію, а потім викидаються з надзвуковою швидкістю. Це залишає «довгоживучі» канали менш щільного повітря, які пропонують шлях для електричних розрядів.

«При високій частоті повторення лазера ці довгоживучі заряджені молекули кисню накопичуються, зберігаючи пам’ять про лазерний шлях», за яким слідує блискавка, пишуть дослідники.

Експериментальна установка (ліворуч) і зображення (праворуч), що показує зону філаментації над вежею. (Houard та ін., Nature Photonics, 2023)

Метрові електричні розряди керували лазерами в лабораторії, але це перший раз, коли ця техніка спрацювала під час грози. Умови лазера були налаштовані таким чином, щоб початок ниткоподібної поведінки починався трохи вище верхівки вежі.

«Ця робота прокладає шлях для нових застосувань ультракоротких лазерів в атмосфері та є важливим кроком у розвитку лазерного блискавкозахисту для аеропортів, стартових майданчиків або великих інфраструктур», — резюмують Хоуард та його колеги.