Физики нашли способ управлять молниями
13 ноября 2020 16:45 Анатолий Глянцев
Новая технология может сделать людей повелителями молний.
Фото Pixabay.
Лазерные лучи помогут контролировать стихию с хирургической точностью.
Фото Pixabay.
Учёные испытали многообещающую технологию, которая в будущем может позволить управлять молниями. Кроме того, она может быть полезна в промышленности и в медицине.
Учёных давно не устраивает, что молнии бьют, куда им вздумается. Недавно они испытали многообещающую технологию управления электрическими разрядами в воздухе. Для этого физики использовали маломощный луч лазера и частицы графена. В будущем такой подход может позволить управлять молниями и открыть новые горизонты в промышленности и в медицине.
Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
Учёные уже несколько десятилетий работают над лазерными установками, способными вызывать молнии. Они позволили бы в буквальном смысле разрядить обстановку в небе, прежде чем начнётся разгул стихии, чреватый жертвами и пожарами. Научившись диктовать молнии, куда ей ударить, мы смогли бы отвести гнев небес от лесов и городов всей нашей планеты, от Сибири до Австралии.
Кроме того, “молния по требованию” позволила бы специалистам лучше изучить это грозное явление природы.
Предполагается, что лазерный луч может нагревать воздух, создавая в нём канал с высокой проводимостью – своеобразный провод, по которому устремится молния.
Однако пока физикам не удалось сконструировать достаточно мощную и компактную лазерную установку, способную дирижировать “стрелами Зевса”. Существующие устройства могут увеличивать частоту молний, бьющих из одного облака в другое, но не в землю.
И вот теперь исследователи из Австралии и США предложили остроумный и экономичный метод управления разрядами в воздухе. Отметим, что именно молнии стали “спусковым крючком” разрушительных лесных пожаров в Австралии и США 2019–2020 годов, так что мотивации учёным хватало с лихвой.
Лазерные лучи помогут контролировать стихию с хирургической точностью.
Фото Pixabay.
Экспериментаторы использовали частицы графена размером от 0,1 до 1 миллиметра. Эти частицы удерживались в воздухе с помощью лазерного луча. Одновременно луч нагревал их, а уж от них нагревался окружающий воздух.
Как оказалось, такой подход гораздо эффективнее, чем непосредственный нагрев воздуха лазером, который использовался в предыдущих исследованиях.
В результате исследователи справились с поставленными задачами при помощи лазера мощностью в десятые доли ватта. В экспериментах такой луч исправно вызывал электрический разряд – правда, не между тучей и землёй, а между двумя электродами в лаборатории. Но разработчики уверены, что технологию можно масштабировать для вызова искусственных гроз.
“В ходе эксперимента были имитированы атмосферные условия, аналогичные тем, которые наблюдаются в реальной молнии”, – отмечает первый автор статьи Владлен Шведов (Vladlen Shvedov) из Австралийского национального университета.
По словам авторов, новый подход позволит контролировать путь электрического разряда в воздухе с невероятной точностью: до десятой доли толщины человеческого волоса.
Такие приручённые разряды могут быть полезны не только для управления погодой. Они могут стать новым инструментом для хирургов и сослужить хорошую службу промышленности.
К слову, ранее
технологии наука физика лазер графен молния новости
Ранее по теме
Играя в Зевса: новый лазерный громоотвод испытан в Альпах
Молнии Америк побили сразу два мировых рекорда
Как рождаются молнии? Учёные России предложили принципиально новое объяснение
Метеорологи зафиксировали невиданные в истории молнии
Новая модель поможет метеорологам прогнозировать появление молний
Небеса американского штата Оклахома осветила рекордная молния
Повелители молний: как управлять небесным электричеством с помощью лазера
Физики впервые вызвали искусственный разряд молнии между землей и облаком с помощью лазерного луча.
Это выдающийся экспериментальный успех, но путь к лазерным громоотводам не обещает быть легким, считает научный обозреватель Forbes Анатолий Глянцев
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.
Лазер был установлен на вершине горы Сентис (2500 м) (Фото Martin Stollberg·TRUMPF)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.
Материал по теме
Дирижирование небесным огнем
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.
Материал по теме
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.
Ученые успешно управляют молнией с помощью лазеров
04:21
Это может звучать как научная фантастика, но группе ученых действительно удалось управлять молнией и безопасно направить ее на землю. «Как» звучит еще более научно-фантастически — с лазером.
Это первая успешная попытка обуздать молнию за 20 лет экспериментов, заявили физики-исследователи Орельен Уар и Жан-Пьер Вольф. Эти двое и другие коллеги опубликовали свои выводы на этой неделе.
«Большинство людей, вероятно, думали, что это никогда не сработает. Вот почему мы были удивлены, увидев такой хороший результат», — сказал Хоуард из своего дома в Париже. «Там была молния, и был там лазер… тот факт, что мы можем видеть четкое взаимодействие, четкие направляющие лучи лазера на расстоянии около 50 метров, является таким большим первым результатом в разработке настоящей защиты.
”
ПОЧТИ 200 МИЛЛИОНОВ УДАРОВ МОЛНИИ В 2022 ГОДУ. СКОЛЬКО УДАРИЛО ВАШ ШТАТ?
Как привлечь молнию
Летом 2021 года исследователи принесли свой лазер к башне связи высотой 135 ярдов на горе Сантис высоко над Швейцарией. Башня была оснащена традиционным громоотводом или стержнем Франклина, который обычно хит 100 раз в год.
Затем они выстрелили мощным лазером по стержню. Импульс ионизирующей энергии лазера создает нагретый воздушный канал или лазерную нить, которая проводит электричество.
Молния ищет самый прямой и быстрый путь к разрядке. Временный воздушный канал существенно расширил радиус действия защитного громоотвода как минимум на 32 ярда. Посмотрите на фотографии, на которых видно, как молния разветвляется до того, как она попадает в воздушный канал.
следующий
предыдущий
Затем болт пошел по пути наименьшего сопротивления в стержень, который безвредно направляет электричество в землю для рассеивания.
ОТЕЛЬ УЗНАЕТ О МОЛНИЯХ С ТЯЖБЫМ ПУТЕМ
NOAA утверждает, что средняя вспышка молнии составляет около 300 миллионов вольт. Защита от молнии становится необходимой, если учесть, что электричество в вашем доме составляет всего 120 вольт и имеет достаточную мощность, чтобы остановить сердце.
«Мы подумали: «Давайте начнем с меньшего громоотвода, а затем удлиним его с помощью лазера», — сказал Вольф. «Тогда вы защищаете большую зону вокруг него, и вы можете защищать аэропорты, электростанции, атомные электростанции или стартовую площадку для ракет и так далее».
МЕГАЛУННАЯ РАКЕТА НАСА ПЕРЕЖИЛА САМЫЙ МОЩНЫЙ УДАР МОЛНИИ, КОГДА-ЛИБО ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫЙ В КОСМИЧЕСКОМ ЦЕНТРЕ
03:26
Как эта технология может защитить вас?
Он пояснил, что область или зона, защищаемая громоотводом, соответствует его высоте.
Громоотвод высотой 50 ярдов защитит всю территорию в радиусе 50 футов.
“Значит, если вы хотите защитить что-то большое, например, аэропорт или крупную инфраструктуру или электростанцию, которые очень часто (нуждаются в молниезащите), вам понадобится километровый громоотвод, — сказал Вольф. «Металлическую палку длиной в один километр и прямо в воздухе сделать не так-то просто».
Защита самолетов при посадке в аэропорту была бы невозможна из-за высоких громоотводов вдоль посадочных траекторий.
СМОТРЕТЬ: ОДИН ИЗ САМЫХ БОЛЬШИХ САМОЛЕТОВ МИРА ПОРАЖЕН МОЛНИЕЙ ПОСЛЕ ВЗЛЕТА
01:12
«В вашей реальности вам нужно защитить его (самолет) на гораздо большей высоте, потому что, когда он пройдет последние десять метров, будет слишком поздно», — сказал Вольф, отрекаясь от моментов, когда он был в самолете. которого ударила молния.
Он сказал, что весь самолет на несколько мгновений потерял мощность, из-за чего пилоты не могли управлять.
Позиционирование самолета для посадки без питания может быть смертельным. Самолетам необходима молниезащита хотя бы с расстояния в несколько сотен метров.
Почему успех сейчас, спустя 20 лет?
Новые лазерные технологии в конце прошлого века позволили исследователям добиться контроля над природой. Новый класс лазеров пульсирует с очень высокой интенсивностью.
При пиковой мощности один короткий импульс обеспечивает примерно мощность всех атомных электростанций на Земле за пикосекунду или 0,000000000001 секунды. Потребляемая мощность лазера, который не генерировал импульсы для создания воздушного канала, неприемлема для молниезащиты.
Следующий эксперимент с болтами
Это подводит ученых к следующему этапу исследования: Оптимизация.
«Возможно, вся лазерная система может быть намного меньше или дешевле», — предположил Вольф.
“Вы не можете поддерживать такую высокую интенсивность все время.
Это невозможно, потому что у вас будет сумасшедшее энергопотребление”, – сказал Вольф. «(Лазер) должен быть намного эффективнее, поэтому нам не нужен такой монстр, как десятикупольная лазерная система длиной десять метров».
Они надеются разработать более мощный лазер молнии, чтобы увеличить длину плазменного канала электропроводящего воздуха. Хоуард считает, что лазер другого цвета увеличил бы досягаемость.
Они также надеются испытать лазер в более плоском пространстве, где исследователям не придется конкурировать с горными вершинами или зданиями за удары молнии.
КАК СМОТРЕТЬ ПОГОДУ FOX ПО ТЕЛЕВИЗОРУ
7 ФАКТОВ ОБ ИССЛЕДОВАНИИ МОЛНИИ 2022 ГОДА В США
Исследование молний достигает цели
Волк слишком знаком с силой молнии. Во время исследовательской встречи, посвященной управлению освещением в Германии, его жена из Женевы позвонила и сообщила, что в их дом ударила молния.
В результате забастовки были выбиты окна, опрокинут дымоход и сгорела электроника, из-за чего в доме пахло дымом.
“Позднее я спросил страховую компанию, они сказали мне, что в этом регионе уже много лет никого не поражает молния. Так что я был очень привилегирован”, – усмехнулся Вольф. «Но, может быть, это месть. Месть, которую мы пытаемся контролировать молнией».
Исследования показывают, что в любую секунду любого дня на землю попадает от 40 до 120 вспышек молнии, говорят ученые.
Примечание редактора : Эта история была обновлена, чтобы уточнить пиковую мощность энергии лазерного импульса.
Когда грянет гром, идите в помещение!
Узнайте, как защитить себя и своих близких во время грозы. Быть на улице, когда присутствует молния, — это не то, к чему следует относиться легкомысленно — никогда.
Прогноз погоды обещает небольшую вероятность грозы, но вы видите только несколько пушистых белых облаков над головой.
Итак, вы и ваш партнер по теннису берете ракетки и мячи и направляетесь на теннисный корт. Вы тратите несколько минут на разминку, а затем — подождите! Ты слышишь гром? Это была вспышка молнии?
Чем ты занимаешься? Продолжать играть, пока гром и молния не станут ближе? Сядьте на металлическую скамейку под деревьями и посмотрите, что произойдет? Или сесть в машину и поехать домой?
Правильный ответ: Если поблизости нет надежного небетонного укрытия, садитесь в машину и переждите грозу.
Почему? Потому что быть снаружи, когда присутствует молния, — это не то, к чему стоит относиться легкомысленно — никогда.
Опасность поражения молнией
Хотя вероятность поражения молнией каждый год составляет менее 1 на миллион, некоторые факторы могут подвергать вас большему риску. Молния чаще всего поражает людей, которые работают на улице или занимаются активным отдыхом на свежем воздухе. Региональные и сезонные различия также могут повлиять на риск поражения молнией.
В 2021 году во Флориде было больше всего смертей от молнии. Флорида считается «молниеносной столицей» страны, где за последние 50 лет произошло более 2000 поражений молнией.
Последствия удара молнии серьезные. С 2006 по 2021 год в Соединенных Штатах молния уносила в среднем 28 жизней в год.
Защитите себя от ударов молнии
Увидев молнию, примите меры предосторожности.
Меры предосторожности на открытом воздухе
Вы можете защитить себя от риска, даже если вы оказались на улице, когда молния близко.
- Если прогноз погоды обещает грозу, отложите поездку или мероприятие.
- Помните: Когда грянет гром, идите в помещение . Найдите безопасное закрытое убежище. К безопасным убежищам относятся дома, офисы, торговые центры и автомобили с жестким верхом и закрытыми окнами.
- Если вас застали на открытой местности, действуйте быстро, чтобы найти подходящее укрытие.
Самое важное действие – это удалить себя от опасности. Если вы присядете или присядете низко к земле, это уменьшит ваши шансы на удар, но не избавит вас от опасности. Если вы оказались на улице, а поблизости нет безопасного укрытия, следующие действия могут снизить риск:- Немедленно сойдите с возвышенностей, таких как холмы, горные хребты или пики.
- Никогда не ложитесь на землю. Присядьте, как мячик, с запрокинутой головой и руками, закрывающими уши, так, чтобы вы были внизу с минимальным контактом с землей.
- Никогда не прячьтесь под одиноким деревом.
- Никогда не используйте в качестве укрытия утес или выступ скалы.
- Немедленно покинуть пруды, озера и другие водоемы и подальше от них.
- Держитесь подальше от объектов, проводящих электричество (таких как заборы из колючей проволоки, линии электропередач или ветряные мельницы).
- Если вы находитесь в группе во время грозы, отделитесь друг от друга. Это уменьшит количество травм, если молния ударит в землю.
- Если вы находитесь в открытой воде и начинается шторм, немедленно возвращайтесь на берег.
- Избегайте открытых транспортных средств, таких как кабриолеты, мотоциклы и тележки для гольфа.
- Избегайте открытых конструкций, таких как веранды, беседки, бейсбольные землянки и спортивные арены. Эти сооружения не защитят вас от молнии.
- Держитесь подальше от открытых пространств, таких как поля для гольфа, парки, игровые площадки, пруды, озера, бассейны и пляжи. Немедленно ищите убежище.
- Держитесь подальше от высоких сооружений, таких как телефонные столбы и деревья; молния стремится ударить в самый высокий объект вокруг.
Самое важное действие – это удалить себя от опасности. Если вы присядете или присядете низко к земле, это уменьшит ваши шансы на удар, но не избавит вас от опасности. Если вы оказались на улице, а поблизости нет безопасного укрытия, следующие действия могут снизить риск:
Меры предосторожности в помещении
Нахождение в помещении не защищает вас от молнии автоматически. На самом деле около одной трети травм от удара молнии происходит в помещении. Вот несколько советов, как обезопасить себя и снизить риск поражения молнией в помещении.
- Избегайте контакта с водой во время грозы.
