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.
Мощность излучения «Техасского петаваттного» импульсного лазера преодолела номинальный порог в 1 ПВт (1015 Вт). На данный момент это самая большая мощность лазерного импульса, достигнутая учёными планеты.
Как сообщил директор лазерного центра Техасского университета Тодд Дитмайе, учёным удалось достичь рекордной мощности неделю назад, в понедельник 31 марта. Импульс лазерного излучения длительностью всего 0,1 пс (10-13 с) сумел перенести энергию порядка 100 Дж. Средняя мощность импульса – более одного петаватта – в сто с лишним превосходит суммарную мощность всех электростанций мира.
Учёные надеются с помощью подобных устройств лучше понять поведение плазмы в условиях высоких температур и плотностей – таких, какие встречаются в недрах звёзд. Кроме того, такие лазеры могут найти применение в установках управляемого термоядерного синтеза.
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.
гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, проявляющийся обычно яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Бенджамина Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака.
Наиболее часто молнии возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда они образуются в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.
Обычно наблюдаются линейные молнии, которые относятся к так называемым безэлектродным разрядам, так как они начинаются в скоплениях заряженных частиц. Это определяет их некоторые, до сих пор необъяснённые свойства, отличающие молнии от разрядов между электродами. Так,не бывают короче несколько сотен м; они возникают в электрических полях значительно более слабых, чем поля при межэлектродных разрядах; сбор зарядов, переносимых молнии, происходит за тысячные доли секунды с мириадов мелких, хорошо изолированных друг от друга частиц, расположенных в объёме несколько кубических километров. Наиболее изучен процесс развития молний в грозовых облаках, при этом молнии могут проходить в самих облаках — внутриоблачные, а могут ударять в землю — наземные.
Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно малом (но не меньше некоторого критического) объёме облака образовалось электрическое поле с напряжённостью, достаточной для начала электрического разряда (~ 1 МВ/м), а в значительной части облака существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для поддержания начавшегося разряда (~ 0,1—0,2 МВ/м). В молнии электрическая энергия облака превращается в тепловую.
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.
