Повелители молний: как управлять небесным электричеством с помощью лазера

Ученые впервые спровоцировали несколько ударов молнии между облаком и землей с помощью лазера. Об этом сообщает научная статья в журнале Nature Photonics. Идее лазерных громоотводов уже полвека, и вот наконец ее продемонстрировали в действии. Однако до коммерческого применения ей по-прежнему очень далеко.

Гнев небес

Ежесекундно на планете вспыхивает от 40 до 120 молний. Трудно подсчитать, сколько жизней они уносят, ведь далеко не во всех странах такие смерти тщательно документируются. По некоторым оценкам, речь идет о 24 000 смертей и вдесятеро большем числе травм в год. Не говоря уже о материальном ущербе в миллиарды долларов в год из-за вызванных молниями пожаров и аварий.

Чем выше сооружение, тем больше вероятность, что в него ударит небесная искра. В человека, даже стоящего в чистом поле, молния практически никогда не бьет. Мы не настолько возвышаемся над местностью, чтобы молния «обращала» на нас внимание. Иное дело деревья, здания и сооружения. Башни, небоскребы, разного рода вышки и мачты буквально притягивают к себе небесный огонь. Между тем население продолжает концентрироваться в городах, а застройка становится все выше.

Не забудем и о глобальном изменении климата. Трудно сказать, как оно влияет на частоту молний. Похоже, правильный ответ — «смотря где». Некоторые исследования показывают, что в Северной Европе и континентальной части США гроз станет больше, а в Центральной и Южной Европе — меньше. Там, где молний станет больше, естественным образом возрастет спрос на защиту от них.

Угрожая молниям палкой

До сих пор самым эффективным защитным средством остается молниеотвод, который в быту называют громоотводом. Это высоко поднятый заземленный проводник. Он может представлять собой вертикальный стержень, горизонтально натянутый трос или сетку.

Основная роль молниеотвода вовсе не в том, чтобы в него попадала молния. Она в том, чтобы до удара молнии вообще не дошло. Поясним. Грозовое облако электрически заряжено. Оно создает вокруг себя электрическое поле. Это поле собирает на земле заряд противоположного знака. Молния — это искровой разряд между двумя заряженными телами. Он может бить из облака в землю (нисходящая молния) или наоборот (восходящая молния).

Молниеотвод сбрасывает накопленный землей заряд с помощью куда более тихого и безопасного явления — коронного разряда. После этого у молнии нет причин бить в здание: противоположного заряда там уже нет. Вот почему молнии так редко попадают в молниеотводы, и те можно и нужно крепить прямо на зданиях.

Проблема с молниеотводами в том, что это локальное решение. Штырь высотой 50 м обеспечит более или менее надежную защиту в радиусе тех же самых 50 м. Чтобы защитить целый аэропорт или атомную электростанцию, понадобились бы сооружения фантастической высоты.

Дирижирование небесным огнем

Ученые давно работают над альтернативными способами защиты от молний и даже управления ими. С 1965 года исследователи провоцируют молнии, запуская под грозовое облако ракету с тонким заземленным проводом. По разным оценкам, молния «клюет на приманку» в 50–90% случаев.

Искусственные молнии полезны по многим причинам. Они позволяют изучать это грозное явление, все еще не до конца познанное наукой. Их можно использовать для испытания конструкций, обязанных выдерживать удар молнии. Но как средства рутинной защиты ракеты непрактичны. Слишком дорого разряжать таким способом каждое грозовое облако.

Еще в 1970-х была высказана идея вызывать молнии с помощью лазера. Достаточно мощный лазерный луч ионизирует воздух и превращает его в проводник. Это своего рода виртуальный провод, который можно протянуть к облаку без ракеты.

Эксперименты начались на рубеже веков. В лабораториях физики управляли многометровыми электрическими искрами. А вот с природным электричеством дело продвигалось медленно. Главной, хотя и далеко не единственной, проблемой были противоречивые требования к лазеру. От него требовалось быть достаточно мощным и скорострельным, чтобы вызывать молнию, но при этом достаточно компактным, чтобы использоваться в полевых условиях.

В 2008 году наметился успех: лазерный луч вызвал электрические разряды между облаками. Теперь же ученые впервые создали с помощью лазера молнии между землей (точнее, башней) и облаком.

Иллюминация в Альпах

Физики использовали инфракрасный лазер, испускающий тысячу импульсов в секунду. Каждый импульс нес энергию 0,5 джоуля. Таким образом, средняя по времени мощность лазера была довольно скромна: всего 0,5 кВт, меньше, чем у электрического чайника. Но единичный импульс продолжался лишь несколько пикосекунд, а значит, мгновенная мощность измерялась тераваттами. Этого вполне достаточно, чтобы создать канал ионизированного воздуха длиной до ста метров в нескольких километрах от лазера.

Полевые испытания проводились с 21 июля по 30 сентября 2021 года на горе Сентис высотой 2,5 км в Швейцарских Альпах. На вершине этой горы стоит телекоммуникационная башня, в которую (точнее, чаще всего из которой) молния бьет около ста раз в год. В связи с этим там установлены детекторы для изучения молний, от скоростных фотокамер до радиоприемников. Трудно было придумать более подходящее место для экспериментов.

Каждый раз, когда начиналась гроза, экспериментаторы готовились включать лазер. Они пытались создать над башней проводящий канал высотой не менее 30 м, по которому будет распространяться молния. За это время сквозь башню прошло 16 молний, и четыре из них — во время работы лазера. Все они были исходящими, то есть били из башни в небо. Один раз, 24 июля 2021 года, погода позволила сфотографировать такую молнию. Снимки показали, что первые 50 м над башней разряд распространялся точно по созданному лазером каналу. Это нетипично для естественных молний, которые сильно ветвятся. Завершив расчеты, ученые заключили, что случайное совпадение маловероятно. Они действительно вызвали молнию над башней.

Идем на грозу?

Разряжать лазером грозовые облака на подходе к городам или особо важным объектам — заманчивая идея. Но пока физики лишь вызвали несколько искусственных молний там, где и естественные бьют очень часто. Это еще очень далеко от разрядки облаков на заказ.

Заметим, что большинство молний — многокомпонентные, то есть состоят более чем из одного разряда. Примерно у половины из них как минимум часть последующих разрядов не идут по следу первого. И это несмотря на то, что он прокладывает куда более широкий канал ионизированного воздуха, чем смог бы любой лазер. Молния — сложное явление, и вряд ли для управления ею подойдут простые рецепты.

Отметим еще, что на всем протяжении эксперимента воздушное пространство над горой Сентис было закрыто для полетов. Физики опасались, что инфракрасный луч может повредить самолет. Так что идея полосовать небо такими лучами над каждым городом в каждую грозу наталкивается на очевидное затруднение.

Эксперименты в этой области, несомненно, будут продолжаться. Но вряд ли мы увидим их практические плоды в ближайшее десятилетие.