Излъчването на лазер в небето може да предотврати удар от мълния според ново проучване на екип от учени, които експериментирали с лазери на върха на швейцарска планина, където се издига голяма метална телекомуникационна кула.

Физикът Орелиен Уар (Aurélien Houard) от Лабораторията за приложна оптика на Френския национален център за научни изследвания в Париж и колегите му преживяват часове в гръмотевична буря, за да проверят дали лазерът може да насочи ударите на мълниите далеч от критична инфраструктура. Телекомуникационната кула е поразявана от мълнии около 100 пъти годишно.

Мълниите могат да причинят щети за милиарди долари на летища и ракетни площадки, да не говорим за хората.

Най-добрата ни защита от мълнии е гръмоотводът - нищо повече от метален прът, изобретен през XVIII век от Бенджамин Франклин, който открива, че мълниите са зигзагообразни електрически импулси. Тези пръти се свързват с метални кабели, които се спускат по сградите и се закрепват в земята, като разсейват енергията на мълнията.

Уар и колегите му се опитват да измислят по-добър начин за защита от ударите на мълниите с помощта на светлината.

"Въпреки че тази изследователска област е много активна от повече от 20 години, това е първият резултат на терен, който експериментално демонстрира насочване на мълнии с помощта на лазери", пишат те в публикуваната си статия.

С увеличаването на екстремните метеорологични явления, предизвикани от изменението на климата, защитата от мълнии става все по-важна.

Експерименталната кампания е протекла през лятото на 2021 г. от планината Säntis в Североизточна Швейцария. Кратки, интензивни лазерни импулси са пуснати в облаците по време на поредица от гръмотевични бури и успешно отклоняват четири възходящи мълнии от върха на кулата.

_{Лазерът и телекомуникационната кула на върха на планината Säntis в Швейцария. Кредит: TRUMPF/Martin Stollberg}

Още 12 мълнии са ударили кулата по време на периодите на гръмотевична буря, когато лазерът е бил неактивен.

В един от случаите, когато небето е било достатъчно ясно, за да се заснеме действието с две отделни високоскоростни камери, е регистриран удар на мълния, който следва пътя на лазера на 50 метра.

Сензорите на телекомуникационната кула също записват електрическите полета и генерираните рентгенови лъчи, за да открият активността на мълнията и да потвърдят нейния път, който може да видите реконструиран във видеото по-долу.

Вълнуващо е да се види, че идеята, представена за пръв път през 1974 г. и изпитана в лаборатория, най-накрая работи по план в реалния свят. Няколко по-ранни полеви изпитания, едно в Мексико и друго в Сингапур, не успяват да намерят никакви доказателства, че лазерите могат да отклоняват удари на мълнии.

"Тези предварителни резултати трябва да бъдат потвърдени от допълнителни кампании с нови конфигурации", пишат Уар и колегите му.

Въпреки че изследователите все още изясняват защо лазерите са сработили при техните опити, но не и при по-ранните експерименти, те имат няколко идеи. Лазерът, който Уар и колегите му са използвали, изстрелва до хиляда импулса в секунда, много по-бързо от другите използвани лазери, което позволява на зеления лъч да прихване всички предвестници на мълнии, образуващи се над кулата.

Но записаните лазерни събития изглежда са отклонявали само положителните мълнии, които се произвеждат от положително зареден облак и генерират отрицателно заредени мълнии нагоре.

И така, как работи това?

Както Уар и колегите му обясняват в статията си, лазерът, изпратен в небето, променя свойствата на въздуха за огъване на светлината, като кара лазерния импулс да се свива и усилва, докато започне да йонизира молекулите на въздуха. Този процес се нарича филаментация.

Въздушните молекули бързо се нагряват по пътя на лазера, поглъщат енергията му, след което се изхвърлят със свръхзвукова скорост. Това оставя след себе си "дълготрайни" канали от по-малко плътен въздух, които предлагат път за електрическите разряди.

"При високочестотни лазерни излъчвания тези дълготрайни заредени кислородни молекули се натрупват, запазвайки памет за пътя на лазера", по който да се движат мълниите, пишат изследователите.

_{Илюстрация на експерименталната уредба, използвана за тестване на лазера, който е показан непосредствено след върха на телекомуникационната кула. Експерименталната уредба (вляво) и изображение (вдясно), показващо зоната на филаментация над кулата. Кредит: Houard et al., Nature Photonics, 2023}

Електрически разряди с дължина метър са били управлявани с лазери в лабораторията, но за първи път техниката работи в гръмотевична буря. Лазерните условия са били настроени така, че инициирането на нишковидното поведение да започне точно над върха на кулата.

"Тази работа проправя пътя за нови атмосферни приложения на ултракъсите лазери и представлява важна стъпка напред в разработването на лазерно базирана мълниезащита за летища, площадки за излитане и кацане или големи инфраструктури", заключават Уар и колегите му.

Hou, ard, A., Walch, P., Produit, T. et al. Laser-guided lightning. Nat. Photon. (2023). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01139-z 

Firing a Laser Into The Sky Can Divert Lightning, Experiment Shows,