Знайдено новий спосіб перенаправляти удари блискавок — і це лазери

Боротися з загрозою з неба потужними лазерами — здавалося б, це більше схоже на сценарій чергового фільму-катастрофи. Однак в майбутньому саме лазери можуть стати звичним захистом від смертоносних блискавок.

Як це працює описує у своїй статті Ян Віттакер, старший викладач фізики університету Ноттінгем Трент. Оригінал опубліковано на the Conversation, переклад підготували Новини.LIVE.

Загроза з неба

Блискавка може виглядати красиво, але щороку вона вбиває тисячі людей, завдає величезної шкоди будівлям та інфраструктурі та спричиняє перебої в електропостачанні.

Єдиний захист, який у нас є — це блискавковідводи, які були винайдені 300 років тому і захищають лише невелику територію.

Вартість збитків від ударів блискавки в будівлі важко визначити в глобальному масштабі, але прикладом виплати страхових компаній на ремонт будинків і підприємств у 2020 році в США склали приблизно 2 мільярди доларів США. Страхові дані з Великої Британії свідчать про те, що витрати на покриття збитків від ударів блискавки зростають.

Проблема, ймовірно, тільки погіршиться, оскільки кліматична криза призводить до збільшення кількості лісових пожеж по всьому світу, що збільшує кількість ударів блискавок. Дослідження 2014 року показало, що кількість ударів блискавки збільшується на 12% на кожен градус за Цельсієм глобального потепління.

Блискавковідводи мають своє застосування, але вчені шукають кращий спосіб контролювати, куди б'є блискавка, і, згідно з новим дослідженням, рішенням можуть стати лазери.

Як вони це зробили

Цей останній експеримент проводився біля телекомунікаційної вежі на горі Сантіс у Швейцарії, в яку часто вдаряє блискавка — приблизно 100 разів на рік, хоча сама вежа захищена блискавковідводом.

Результати дослідження показали, що блискавка проходила майже по прямій лінії поблизу лазерних імпульсів, але удари блискавки розподілялися більш хаотично, коли лазер був вимкнений.

Хоча це дослідження не є першою спробою спрямувати шлях блискавки, воно вперше показало, що це можливо. Науковці пояснюють це потужним лазером, який вони використовували, і великою висотою над рівнем моря. На великих висотах повітря менш щільне. Це полегшує проходження струму, а це означає, що для майбутніх експериментів на рівні моря знадобиться більш потужний лазер.

Щоб зрозуміти, як науковці використовували світло для зміни шляху електрики, потрібно зрозуміти, що таке блискавка: потік заряджених частинок з одного місця в інше. Частинки в хмарах здебільшого електрично нейтральні, коли вони утворюються, але накопичують як позитивний, так і негативний заряд. Хмара прагне стати нейтральною, обмінюючись зарядом із землею.

Більшість людей знайомі з нерівними спалахами яскравого світла, які можна побачити між землею і хмарами, але існують й інші типи блискавок. Блискавка може подорожувати між хмарами. Вона також може рухатися від хмар вгору до верхніх шарів атмосфери. При цьому можуть навіть утворюватися смуги червоного повітряного світіння, де розріджена атмосфера нагрівається. Ця теплова енергія потім вивільняється у вигляді світла.

Коли заряд у хмарі накопичується, він досягає неймовірно високої напруги (приблизно еквівалентної 8 мільйонам автомобільних акумуляторів, з'єднаних разом), яка прориває шлях у повітрі. Електричний струм, необхідний для того, щоб розділити компоненти повітря, зазвичай становить близько 300 мільйонів вольт на квадратний метр.

Виштовхуюча сила цієї величезної напруги в електрично зарядженому (іонізованому) повітрі дозволяє заряду з хмари стікати вниз і розряджатися на землю або найближчі будівлі. Цей потік струму буде йти найбільш електропровідним шляхом.

Ось чому блискавковідводи іноді використовують для захисту будівель від блискавки. Метал є більш електропровідним, ніж повітря, тому, якщо помістити великий стрижень у землю, блискавці буде легше пройти цим шляхом, ніж у повітрі. Однак це може захистити лише невелику територію.

Багато дослідників вважають, що деякі грози можуть бути спричинені космічними променями (високоенергетичними частинками з-поза меж Сонячної системи). Ці частинки проходять крізь атмосферу і взаємодіють з повітрям, створюючи іонізований шлях у напрямку свого руху. Ця теорія викликала розбіжності в думках дослідників щодо того, чи впливає вона на загальну кількість ударів блискавок по всьому світу.

Науковці використовували потужний лазер, щоб спробувати створити іонізовані шляхи подібно до теорії космічних променів. Швидкі енергійні імпульси (1000 разів на секунду) лазера нагрівають повітря та іонізують його, ненадовго роблячи провідним. На цьому шляху блискавка матиме менший опір, а отже, буде більш схильною до протікання саме в цьому напрямку.

Якщо цю технологію вдосконалити, одного дня вона може допомогти захистити такі об'єкти інфраструктури, як аеропорти та атомні електростанції. У більш досконалій формі її навіть можна буде використовувати для захисту будинків за допомогою лазера на безпечній відстані. Однак, навряд чи вона з'явиться у вас найближчим часом, хоча б з однієї причини — через високу вартість електроенергії.

Ян Віттакер, старший викладач фізики університету Ноттінгем Трент

Фото: REUTERS/Amir Cohen