Управляемая лазером молния - эксперимент на горе Сэнтис

Aurélien Houard, Pierre Walch, Thomas Produit, Victor Moreno, Benoit Mahieu, Antonio Sunjerga, Clemens Herkommer, Amirhossein Mostajabi, Ugo Andral, Yves-Bernard André, Magali Lozano, Laurent Bizet, Malte C. Schroeder, Guillaume Schimmel, Michel Moret, Mark Stanley, W. A. Rison, Oliver Maurice, Bruno Esmiller, Knut Michel, Walter Haas, Thomas Metzger, Marcos Rubinstein, Farhad Rachidi, Vernon Cooray, André Mysyrowicz, Jérôme Kasparian & Jean-Pierre Wolf

Аннотация

Грозовые разряды между заряженными облаками и поверхностью Земли приводят к существенному ущербу и человеческим травмам. Таким образом, важно разработать более эффективные методы защиты помимо традиционного громоотвода Франклина. В настоящей статье приведена первая демонстрация того, что лазерно-индуцированные филаменты, которые образуются в небе короткими интенсивными лазерными импульсами, способны направлять грозовые разряды на значительные расстояния. Мы считаем, что это экспериментальный прорыв приведет к развитию направления молниезащиты и физики молний. Летом 2021 г. на горе Сэнтис (северо-восточная Швейцария) была проведена серия экспериментов с тераваттным лазером с высокой частотой повторения импульсов. Процесс направления лидера восходящей отрицательной молнии на расстояние 50 м был зафиксирован двумя отдельными высокоскоростными камерами. Возможность направления отрицательных лидеров молний с помощью лазерных филаментов была подтверждена в трех других случаях с использованием сверхвысокочастотных интерферометрических измерений, а число всплесков рентгеновского излучения, обнаруживаемых во время событий направления молний, существенно возросло. Несмотря на то, что эта область исследований была очень активна более 20 лет, это первый результат полевых исследований, который экспериментально демонстрирует процесс направления молний с помощью лазеров. Настоящая работа готовит почву для новых атмосферных применений ультракоротких лазеров и является важным шагом вперед в разработке лазерных систем молниезащиты для аэропортов, стартовых площадок или крупных объектов инфраструктуры.

Суть работы

Молнии привлекали и пугали человечество с незапамятных времен. Если опираться на спутниковые данные, то общая частота вспышек молний в мире, в том числе от облаков в землю и облачные молнии, по оценкам, составляет от 40 до 120 вспышек в секунду, и это является причиной существенного ущерба и несчастных случаев. Документально зафиксированное количество смертельных ударов молний намного превышает 4000, а материальный ущерб оценивается миллиардами долларов ежегодно. До сих пор самой распространенной внешней защитой от прямых ударов молний является молниеотвод, который также называют громоотводом Франклина или молниеуловителем. Молниеотвод, изобретение которого приписывают Бенджамину Франклину и датируют XVIII веком, представляет собой заостренную проводящую мачту, соединенную с землей. Он защищает здания и прилегающую территорию, создавая предпочтительную точку удара для молнии и безопасно направляя ее электрический ток в землю.

В 1965 г. Ньюман и др. продемонстрировали метод инициирования разрядов молний с использованием небольшой ракеты, несущей длинный заземленный токопровод. В отличие от классического молниеотвода, который должен «ловить» молнию, приближающуюся к защищаемой конструкции, метод с использованием ракеты и токопровода направлен на то, чтобы вызывать молнии искусственно. Быстрое помещение провода в сильные электрические поля рядом с землей под грозовой тучей приводит к тому, что поле на конце провода усиливается в достаточной степени, чтобы вызвать электрический пробой. Если в правильный момент, когда существуют условия для формирования молнии, запустить небольшую ракету, то этот метод позволит инициировать молнию с результативностью до 90%. Однако, для этого потребуются одноразовые ракеты и провода, падающие обломки которых представляют опасность.

Идея об использовании лазера для инициирования молнии впервые была предложена Леонардом Боллом. Первая попытка инициировать и направить природную молнию лазерами была предпринята Утида и др. в 1999 г. с использованием комбинации трех лазеров с энергией в килоджоульном диапазоне с образованием двухметровой плазменной искры. В настоящей статье представлены результаты кампании по использованию лазерной филаментации. Принцип работы филаментного молниеотвода следующий: короткие интенсивные лазерные импульсы направляются к облакам.

Вдоль этих филаментарных областей молекулы воздуха быстро нагреваются поглощаемой энергией лазера и выталкиваются в радиальном направлении со сверхзвуковой скоростью, оставляя за собой долгоживущие каналы воздуха с пониженной плотностью. Такие каналы с низкой плотностью и миллисекундной длительностью имеют более высокую электронную проводимость и, следовательно, обеспечивают предпочтительную траекторию для электрических разрядов. Электрические разряды метровой длины, инициированные и направляемые филаментами, были продемонстрированы в лаборатории, и было показано, что они успешно конкурируют с традиционными молниеотводами. Ионизированная длина филаментации может достигать сотню метров, когда исходная мощность в импульсе пикосекундной длительности находится в терраватном диапазоне (1012 Вт). Процесс филаментации может контролироваться так, чтобы он начинался на расстоянии до одного километра от лазерного источника. Таким образом, предполагается, что филаментарные каналы могут служить для направления и, возможно, даже для инициирования разрядов молний при соответствующих погодных условиях.

Во время экспериментальной кампании, проведенной летом 2021 г., лазер Yb:YAG, испускающий пикосекундные импульсы с энергией 500 мДж на длине волны 1030 нм и частотой повторения 1 кГц, устанавливали рядом с 124-метровой телекоммуникационной башней, расположенной на вершине горы Сэнтис в северо-восточной Швейцарии. Эта башня, в которую удары молний происходят примерно 100 раз в год, оборудована множеством датчиков для регистрации тока молний, электромагнитных полей на различных расстояниях, рентгеновского и радиоактивного излучения при разрядах молний. Лазерные импульсы были направлены вверх, при этом траектория распространения проходит рядом с вершиной башни, оснащенной молниеотводом Франклина (см. рис.1). Учитывая результаты предварительной кампании по изучению горизонтального распространения разрядов в лаборатории, условия для лазера были настроены так, чтобы инициация филаментарного поведения начиналась ближе к вершине башни, но выше нее, и имела длину минимум 30 м.

Рис.1. Путь лазера, зарегистрированный с его второй гармоникой на 515 нм.

В период с 21 июля по 30 сентября 2021 г. лазер работал в совокупности в течение 6,3 ч грозовой активности, которая наблюдалась в пределах 3 км от башни. В башню ударили как минимум 16 молний, четыре из которых, обозначенные L1, L2, L3 и L4, имели место в период активности лазера. Все из зарегистрированных ударов молний были восходящими, что соответствует 97% ударов, наблюдаемых для башни на горе Сэнтис с 2010 г.. Однако несмотря на то, что наблюдения на башне на горе Сэнтис в течение девяти лет в отсутствие лазера демонстрируют 84% отрицательных, 11% положительных и 5% двухполюсных вспышек, все четыре зарегистрированных события с использованием лазера были положительными вспышками, соединяющими вершину башни с положительным зарядовым центром в облаке. В соответствии с правилами обозначения знаков атмосферного электричества положительная (отрицательная) вспышка молнии формируется положительно (отрицательно) заряженным облаком и генерирует положительное (отрицательное) фоновое электрическое поле вокруг башни, после чего могут индуцироваться восходящие отрицательные (положительные) лидеры. Только одно из этих четырех событий с использованием лазера (L2) имело место при относительно чистом небе 24 июля 2021 г. в 16:24 UTC, что позволило нам зарегистрировать траекторию разряда молнии в двух направлениях с помощью двух высокоскоростных камер, расположенных на расстоянии 1,4 и 5 км от башни соответственно. Снимки этого события представлены на рис. 2. Они показывают, что сначала удар молнии следует по траектории лазера в течение большей части начального расстояния 50 м (см. также дополнительные данные, рис. 3). Обратите внимание на то, что разряд не идет строго прямо по этому начальному сегменту, как было бы, если бы молния была инициирована с помощью несущей провод ракеты. Однако такая разница известна из того, как разряды, инициированные и направляемые лазером, вели себя в высоковольтном оборудовании. Причина этого в том, что вытеснение тока является гораздо более сложным процессом при распределении движущихся зарядов, чем по проводу. Например, движущиеся заряды создают пространственные заряды, которые локально экранируют электрическое поле. На рис. 3 показаны последовательности с временным разрешением восходящих отрицательных лидеров для двух восходящих вспышек, одна (L2) из которых имела место 2 июля 2019 г. в 00:22 UTC при работающем лазере, а другая - без лазера. Обратите внимание на отсутствие ветвления на стадии направления лазером (самая нижняя вертикальная секция) в событии L2.

Рис.2. Снимки молнии от 24 июля 2021 г. (L2), сделанные при наличии лазера.

Снимок, сделанный двумя высокоскоростными камерами, расположенными в Швегальпе (a) и Кронберге (b). Также накладывается траектория лазерного пути, пройденного впоследствии при ясном небе через генерацию второй гармоники.

Рис.3. Изображения восходящих лидеров с высокоскоростной камеры.

a. Изображения пути молнии в присутствии лазера, сделанные 24 июля 2021 г. (L2) через 250, 375, 915 и 2750 мкс после начала разряда. b. Изображения пути молнии, снятые 2 июля 2019 г. в отсутствие лазера через 200, 400, 900 и 3000 мкс после начала разряда.

Гроза является источником электромагнитного излучения, охватывающего широкий диапазон частот - от радиоволн до гамма-лучей. Сверхвысокочастотная (СВЧ) активность (длина волны 1-10 м) особенно полезна для изучения разрядов на стадии их формирования. Летом 2021 г. во время измерительной кампании, проводимой рядом с башней на горе Сэнтис, была установлена СВЧ-интерферометрическая система, разработанная New Mexico Tech. Эта система состоит из перевернутых V-образных антенн, регистрирующих фазовые сдвиги между источниками входящего СВЧ-излучения, связанные с тем, что они расположены в разных местах. Используя алгоритм кросс-корреляции, можно получить местоположение источника в двухмерном пространстве (азимут, превышение). Система могла отслеживать распространение лидера молнии с пространственным разрешением в несколько метров и временным разрешением порядка микросекунд. На рис. 4 сопоставляются СВЧ-источники, обнаруженные интерферометром при двух вспышках: одна (L1) при активном лазере, а другая - без лазера (N07). В первом из сценариев накопление источников радиоактивного излучения, расположенных по траектории лазера, наблюдается на расстоянии приблизительно 60 м (другие события представлены в дополнительных данных, рис. 4). Как показано в таблице 2 и на рис. 5 в дополнительных данных, стандартное отклонение расстояния от источников до лазера снижается на 45% на том же расстоянии 60 м, когда лазер включен.

Рис.4. Измерения УКВ-интерферометром.

Двумерные карты УКВ-источников, излучаемых во время грозы L1 с включенным лазером (а) и события N6 без лазера (b). Телекоммуникационная вышка окрашена в черный цвет, а путь лазера — в красный (непрерывная красная линия, когда есть лазер, и пунктирная красная линия, когда лазер выключен). Каждая точка соответствует излучению УКВ. Полосы цветовой шкалы, отображаемые справа, соответствуют шкале времени. Фиолетовый участок показывает область, в которой ожидается лазерная филаментация.

Рис.5. Электрические сигналы, измеренные для трех положительных направленных вверх.

Электрические сигналы, измеренные для трех положительных восходящих импульсов L1 (a), L3 (b) и N6 (c). Вверху: шкала электрического поля указана по левой оси ординат, а сила тока — по правой оси ординат. Внизу: сигналы рентгеновского излучения, обнаруженные сцинтиллятором, где каждый пик соответствует суммарной энергии рентгеновского излучения, собранной во время выборки 50 нс. События L1 и L3 соответствуют событиям с лазером, тогда как N6 соответствует событию без лазера.

Для событий L1, L3 и L4 регистрировали ток молнии, электрические поля и рентгеновское излучение. Результаты для L1 и L3 представлены на рис. 5 и сопоставляются с событием с той же положительной полярностью, измеряемой в отсутствие лазера. Поле обзора детектора рентгеновского излучения было направлено в сторону траектории лазера. Три события, представленные в настоящем документе, сопоставляли с двумя другими положительными восходящими событиями, наблюдавшимися в 2021 г. до установки лазера. Они демонстрировали аналогичные токи и формы колебаний электрического поля с точки зрения величины и шаговых интервалов. С другой стороны, число всплесков рентгеновского излучения в присутствии лазерного пучка (4,3 на событие) было гораздо выше, чем в его отсутствие (одно на событие). Обратите внимание на то, что всплески рентгеновского излучения, наблюдаемые при использовании лазера, обнаруживаются в течение времени, соответствующего распространению лидера при направлении лазером (первые 500 мкс). Неопубликованные эксперименты, проведенные Лабораторией прикладной оптики, показывают, что направляемые разряды метровой длины испускают всплеск рентгеновского излучения в прямом направлении. Это свидетельствует о том, что такие всплески рентгеновского излучения испускались на прямых участках разряда (см. рис. 2).

Обсуждение результатов

До кампании 2021 г., описанной в настоящей работе, в Нью-Мексико в 2004 г., а также в Сингапуре в 2011 г. были предприняты несколько попыток по направлению и (или) инициации молнии с использованием филаментов, получаемых короткими лазерными импульсами с терраватной пиковой мощностью. Во время этих предыдущих кампаний получить доказательства возможности направлять или инициировать разряды молний с помощью лазера не удалось. Этот факт поднимает два таких вопроса: (1) Почему кампания на горе Сэнтис была более успешной, чем предыдущие две попытки? И (2) Почему во время этой кампании с помощью лазера направлялись только восходящие отрицательные лидеры (связанные с восходящими положительными вспышками)?

Мы предполагаем, что важным фактором, определяющим успешность кампании на горе Сэнтис, является частота повторения лазера, которые была на два порядка величины выше, чем во время предыдущих попыток. До вспышки молнии на горе Сэнтис электрическое поле, как правило, меняется очень медленно (в течение периода от десятков до сотен миллисекунд). Это связано с тем, что большинство вспышек являются самоинициирующимися. Таким образом, использование килогерцовой частоты повторения позволяет перехватывать все из предшественников молний, которые развиваются над башней. Более того, во время филаментации небольшая доля свободных элекронов, создаваемых ионизацией в поле с высокой напряженностью, захватывается нейтральными молекулами кислорода.

Для объяснения того, почему в присутствии лазерного пучка наблюдались только отрицательно заряженные восходящие лидеры (вспышки положительных молний), необходимо учитывать условия электрического поля, требуемые для формирования разряда, перекрывающего промежуток между нижним концом филаментарной траектории и металлическим стержнем на вершине башни. Сначала рассмотрим случай, когда фоновое электрическое поле формируется положительными зарядами в облаке. В этом сценарии промежуток может быть перекрыт либо отрицательными стримерами, исходящими из вершины башни, либо положительными стримерами, генерируемыми нижним концом лазерного филамента. Наши расчеты, основанные на условиях, необходимых для инициации и распространения стримерных разрядов, показывают, что перекрытие промежутка положительными стримерами, исходящими из нижнего конца филамента, происходит в фоновом электрическом поле с более низкой напряженностью (обозначенном E_pos-filament), чем у электрического поля, необходимого для перекрытия промежутка отрицательными стримерами. Следует отметить, что этот сценарий приведет к образованию вспышки положительной молнии.

Теперь представим случай, когда фоновое электрическое поле формируется отрицательными разрядами в облаке. Опять же, возможны два сценария: промежуток может быть перекрыт либо положительными стримерами, инициированными из вершины башни, либо отрицательными стримерами, инициированными из нижнего конца филамента. Как и прежде, положительные стримеры - теперь исходящие из башни - перекрывают промежуток в электрическом поле более низкой напряженностью, обозначенном E_pos-tower, что приводит к образованию вспышек отрицательных молний. Более того, наши расчеты показывают, что E_pos-filament < E_pos-tower. Это означает, что вспышки положительных молний с более высокой вероятностью будут инициироваться в присутствии лазерных филаментов, чем отрицательные вспышки. Следует отметить, что эта же тенденция была отмечена и в лаборатории, где инициация разрядов метрового масштаба лазерными филаментами изучалась при положительных и отрицательных полярностях.

В заключение, результаты экспериментальной кампании на горе Сэнтис летом 2021 г. дают косвенные доказательства того, что филаменты, образуемые короткими интенсивными лазерными импульсами, могут направлять разряды молний на значительных расстояниях. Такие предварительные результаты должны быть подтверждены дополнительными кампаниями с новыми конфигурациями. Использование молниеотвода Франклина с минимальным расстоянием от траектории лазера может повысить вероятность направления вспышек молний с обеими полярностями. Использование видимых длин волн лазера (полученных посредством генерации второй гармоники) также может повышать эффективность направления филамента. Также следует отметить, что, учитывая результаты, представленные в настоящей работе, смещение начала филаментации к разрядовым центрам в облаке могло привести к повышению направляющей способности лазера или даже к инициации разрядов молний. Это является предметом будущей экспериментальной работы.

Методы

Лазерная система

Во время кампании использовали частотно-модулированный лазер с импульсным усилением Yb:YAG, разработанный TRUMPF Scientific Lasers. Он может генерировать лазерные импульсы на длине волны 1030 нм с энергией 720 мДж на импульс, длительностью импульса 920 фс при частоте повторения 1 кГц. Из-за конфигурации нашей установки, которая имеет продолжительное время распространения до направляющего телескопа, выходная энергия была снижена до 500 мДж, а импульс был смодулирован до длительности 7 пс, чтобы не повредить оптическую систему. В дополнительных данных, рис. 1b, использовали кристалл трибората лития для формирования пучка на второй гармонике на длине волны 515 нм.

Экспериментальная установка

Кампанию проводили на вершине горы Сэнтис (2502 м над уровнем моря) на северо-востоке Швейцарии, в самой верхней точке которой установлена 124-метровая телекоммуникационная башня. Общий вид экспериментальной установки представлен в дополнительных данных, рис. 1. Лазерная система находилась в здании обтекателя и была укрыта воздухонепроницаемым тентом с кондиционированием воздуха и термоизоляцией. После выхода из тента выходное отверстие лазера направляли вниз посредством канала через стенку обтекателя на террасу, где складное 4-футовое зеркало направляло пучок в направляющий телескоп с расширением луча, который имел коэффициент усиления 7,14. Вся траектория лазера к телескопу (представлена в дополнительных данных, рис. 1а) была защищена изолированным алюминиевым кожухом для предотвращения утечки пучка и уменьшения изменений в окружающей среды.

Телескоп состоял из дополнительного складного зеркала, вторичного 100-миллиметрового сферического зеркала и первичного асферического (эллиптического) внеосевого зеркала диаметром 430 мм. Выходной пучок с диаметром 250 мм был направлен к вершине башни под вертикальным углом 7°. Столики для перемещения вторичного зеркала позволяли нам фокусировать пучок около вершины башни так, чтобы задать начало процесса филаментации в целевой зоне, в которой инициируется восходящая молния. Фокусное расстояние телескопа было установлено на 150 м, чтобы получить плотную зону филаментации в 30-50 м над вершиной башни.

Следует отметить, что в течение всего времени работы лазера соответствующий орган закрывал воздушное пространство для движения воздушного транспорта. Более того, движение воздушного транспорта контролировалось автоматической системой спутникового наблюдения - приемопередатчик автоматически отключал лазер, если во временно закрытую зону воздушного пространства входило воздушное средство.

Измерения высокоскоростными камерами

24 июля 2021 г. две высокоскоростные камеры наблюдали событие L2: одна из них работала на скорости 24 000 кадров в секунду и была установлена на горе Кронберг, а вторая работала со скоростью 10 000 кадров в секунду и была установлена на Säntis Das Hotel (Шваэгальп). Следует отметить, что записи восходящих положительных вспышек, выполненные высокоскоростными камерами, очень редки, и в литературе доступны лишь несколько таких наблюдений.

На рис. 2 представлены два характерных кадра, полученных двумя высокоскоростными камерами. Были проведены несколько сравнительных процедур для точной калибровки положения лазера: изображения с высокоскоростных камер при дневном свете для определения положения башни и окружающей топографии; ночные изображения с высоким разрешением, полученные с помощью Nikon D810 рядом с высокоскоростными камерами при работе лазера, а также реконструкция направления и положения лазера с использованием прецизионных данных системы GPS. На двух изображениях, представленных на рис. 2, на которых показана восходящая положительная вспышка, наблюдается начальный сегмент на расстоянии около 70 м от Шваэгальпа и 120 м от Кронберга, который следует траектории лазерного пучка.

Для событий без использования лазера были доступны отдельные изображения от одной из камер, что позволяет получить гистограммы расстояний до лазерного пучка с проекцией в плоскости, перпендикулярной прямой линии видимости камеры (дополнительные данные, рис. 3). Различия в поведении между событием с лазером (L2) и без него (N05, N08) очевидны.

Скорость лидера

Скорость оценивали на основании данных интерферометра (от 1 × 10⁵ до 6 × 10⁵ м с^–1), и она соответствовала оценкам, полученным из последовательности изображений, полученных с высокоскоростной камеры на скорости 24 000 кадров в секунду, расположенной в Кронберге, что дает скорость, которая затухает с 4 × 10⁵ м с^–1, когда покидает вершину башни, до 9 × 10⁴ м с^–1 в первом ветвлении на 120 м выше нее, при этом средняя скорость в этом интервале составила 2 × 10⁵ м с^–1. К несчастью, во время кампании у нас не было высокоскоростной камеры в сопоставимых условиях (восходящая положительная вспышка) без использования лазера. Однако это значение сопоставимо с типичными полученными значениями для восходящих отрицательных лидеров (соответствующих положительным вспышкам): 2 × 10⁵ м с^–1 в случае молнии, инициируемой с помощью ракеты, и 1 × 10⁵ м с^–1 в случае естественного воздуха. Следует отметить, что, на основании изображений, полученных с высокоскоростных камер, скорость распространения ветвей во время события без использования лазера, имевшего место 2 июля 2019 г. в 00:22:46, по оценкам, составляет 2 × 10⁵ м с^–1 без какой-либо четкой тенденции к ускорению или замедлению на первых 900 м.

Моделирование и симуляция влияния филаментации на инициирование молний

Чтобы объяснить условия, необходимые для инициирования молнии в присутствии лазерного филамента, ниже мы опишем задействованные физические процессы. Мы начнем с представления стандартной номенклатуры, используемой в литературе о молниях. Когда электрическое поле в воздухе превышает электрическое поле пробоя, свободные электроны в воздухе начинают ионизировать другие атомы и молекулы, вызывая то, что известно как "электронная лавина". По мере того, как лавина продолжает свой рост, будет достигнута стадия, на которой накопленный пространственный заряд становится столь высоким, что он начинает создавать электрические поля, сопоставимые с фоновым электрическим полем или превышающие его. На этой стадии электронная лавина становится самораспространяющимся электрическим разрядом, известным как "стример". Стримеры могут распространяться в фоновых электрических полях с напряженностью ниже значений пробоя. Токи в таких стримерных разрядах находятся в диапазоне от микро до миллиампер. Более того, стримеры являются холодными разрядами. Это означает, что температура газа в разряде остается близкой к температуре окружающей среды. В процессе инициирования разряда многие стримеры могут выходить из общего корня или ствола. По мере того, как ток от всех стримеров проходит через этот ствол, температура ствола повышается. Когда ствол нагревается, происходит термическая ионизация, что повышает электронную плотность в стволе. Когда электронная плотность достигает критического значения, происходит быстрая передача энергии от электронов нейтральным атомам, что приводит к повышению проводимости и температуры газа до нескольких тысяч градусов. Эта часть проводящего канала называется лидером. Этот канал, будучи проводимым, поляризуется в фоновом электрическом поле, что усиливает электрическое поле у его вершины. С этой вершины снова запускается электронная лавина, что приводит к созданию новой части канала лидера. Таким образом и распространяется лидер - посредством лавин и стримеров. Когда лидер нисходящий молнии достигает земли или присоединяется к восходящему соединительному лидеру, волна электрического потенциала с земли, которая называется "обратной молнией", распространяется по каналу лидера, нейтрализуя его заряд. Такая обратная молния представляет собой видимую и слышимую фазу удара молнии. Описанные процессы являются основными элементами, которые используются для описания механизма развития молний.

Теперь рассмотрим актуальную проблему. Нам нужно оценить, будет ли происходить электрический пробой между нижним концом лазерного филамента и вершиной башни, так как этот шаг необходим для инициации разряда молнии с помощью лазерного филамента. Эта оценка содержит множество этапов, и в данной работе невозможно описать все из них в подробностях. Заинтересованный читатель может найти полное описание по ссылкам. Тем не менее мы опишем ключевые элементы, в то же время давая ссылки для заинтересованного читателя, который может самостоятельно углубиться в этот анализ. Прежде всего, для заданного фонового электрического поля электрическое поле в промежутке между вершиной башни и нижним концом филамента было рассчитано методом симуляции заряда. Это стандартная методика расчета электрического поля в области, когда заданы потенциальные границы. Во-вторых, изучается рост числа электронных лавин в области электрического поля высокой напряженности, где электрическое поле превышает электрическое поле пробоя. Рост числа лавин исследуется с использованием коэффициента ионизации Таунсенда, соответствующего давлению и температуре окружающей среды. В-третьих, если число положительных ионов в "голове" электронной лавины превышает критическое значение, равное 108, в рамках ориентировочно сферической области с радиусом 50 мкм, предполагается, что лавина будет преобразована в стримерный разряд. В-четвертых, после инициации стримера расстояние его распространения в промежутке оценивается с использованием значения критического электрического поля, необходимого для распространения стримера. Для распространения положительных стримеров при давлении на среднем уровне моря требуется фоновое электрическое поле около 500 кВм^–1, а для отрицательных стримеров необходимо более высокое поле: от 1 МВ м^–1 до 2 МВ м^–1. Оба значения необходимо масштабировать на коэффициент 0,75, чтобы учесть давление 0,75 атм на высоте 2500 м над уровнем моря в башне на горе Сэнтис. После оценки удлинения стримеров в промежутке, заряд, связанный со стримерным всплеском, оценивается по процедуре, использованной Becerra и Cooray. Если заряд в стримерном всплеске превышает 1 мкКл, стримерный всплеск приведет к возникновению лидерного разряда. Лидеры могут распространяться в полях, превышающих примерно 150–200 кВ м^–1, что гораздо ниже порога, необходимого для распространения стримера. Основываясь на этой процедуре, был проведен анализ, который будет представлен ниже.

Следует учитывать местоположение лазерного филамента над вершиной башни. Геометрия, соответствующая расчету, приведена в дополнительных данных, рис. 6. В случае лазерного филамента, полностью поляризованного фоновым электрическим полем, условия, необходимые для инициации вспышки молнии, являются следующими. Во-первых, стримерный всплеск должен быть инициирован от нижнего конца (конца, ближайшего к башне) лазерного филамента. Такой стримерный всплеск будет распространяться к вершине башни и, если среднее электрическое поле по длине стримера ниже порогового поля, необходимого для распространения стримера, он остановится до перекрытия промежутка. Как упомянуто ранее, этот порог отличается для отрицательных и положительных стримеров. Если среднее электрическое поле между нижним концом лазерного филамента и вершиной башни превышает пороговое поле, необходимое для распространения стримера, то стримерная вспышка пройдет по всей длине промежутка между кончиком лазера и вершиной башни. Такая ситуация называется конечным условием перехода. В этом случае электрический пробой между лазерным филаментом и вершиной башни неизбежен, и это приводит к формированию условий, необходимых для инициации вспышки молнии. Если среднее электрическое поле в промежутке ниже порога распространения стримера, то на конце лазерного филамента может появиться лидер, и он может перекрыть промежуток между филаментом и башней. Важно отметить, что если положительные стримеры от лазерного филамента проходят через промежуток и инициируют вспышку молнии, то результатом будет вспышка положительной молнии. Если отрицательные стримеры от лазерного филамента проходят через промежуток и инициируют вспышку молнии, то полученная вспышка молнии притянет отрицательный заряд к земле, то есть получится вспышка отрицательной молнии.

На основании критериев, описанных в предыдущем параграфе, выполняется оценка величины фоновых электрических полей, необходимых для инициации: (1) вспышки положительной молнии с помощью лазера; (2) вспышки отрицательной молнии с помощью лазера и (3) вспышки отрицательной молнии, инициированной с башни, без использования лазерного филамента. Результаты приведены в дополнительных данных, рис. 7, в зависимости от длины промежутка между лазерным филаментом и концом башни, а также для четырех разных значений длины лазерного филамента. Следует отметить, что полярность фонового электрического поля, необходимого для инициирования вспышки положительной молнии, противоположна фоновому электрическому полю, необходимому для инициирования вспышки отрицательной молнии. Во-первых, было отмечено, что фоновое электрическое поле, необходимое для создания вспышки положительной молнии с использованием лазера, всегда ниже фонового электрического поля, необходимого для инициирования вспышки отрицательной молнии с использованием лазера. Во-вторых, было отмечено, что при фоновых электрических полях, достаточно больших для инициации вспышки отрицательной молнии с использованием лазера, башня сама по себе может генерировать вспышки отрицательной молнии без использования лазерного филамента. Это также показывает, что присутствие лазерного филамента существенно не изменит число отрицательных вспышек, попадающих в башню, однако это сделает возможным инициирование вспышек положительных молний при значениях электрического поля, которые в отсутствие лазерного филамента были бы невозможны. Мы также проанализировали максимальное расстояние промежутка, при котором лазерный пучок может повлиять на инициирование молнии. Для длин лазерного филамента, составляющих 10, 20, 30, 40 и 50 м, максимальные длины промежутка, при которых лазер может влиять на инициирование молнии, составляют 6, 7,5, 20, 22 и 25 м соответственно. Причина, по которой длина промежутка значительно растет при длинах лазерного филамента больше 30 м, заключается в том, что для таких длин лазерного филамента положительные лидеры инициируются на конце лазерного филамента, а промежуток опосредуется положительными лидерами.

Дополнительные данные

Дополнительные данные, рис. 1. Экспериментальная установка.

a Схема экспериментальной установки на горе Сэнтис. b Фотография эксперимента со второй гармоникой лазерного пучка, используемого для визуализации лазерной траектории.

Дополнительные данные, рис. 2. Расположение различного измерительного оборудования.

Система измерения молний на горе Сэнтис состоит из двух быстродействующих датчиков электрического поля, электростатического флюксометра, трех full HD камер, двух высокоскоростных камер и двух датчиков рентгеновского излучения. Данные от метеолокатора, покрывающего вышку на горе Сэнтис, также доступны от MeteoSwiss. Токи молний, попадающих в вышку, измеряли с помощью набора катушек Роговского и датчиков B-dot, расположенных на двух разных высотах вдоль башни. Грозовую активность обнаруживали, определяли местоположение по азимуту и превышению, а также проставляли метку GPS и времени с помощью радиочастотного интерферометра в полосе частот 1-160 МГц, верхний предел которой ограничен 84 МГц для предотвращения интерференции от радиопередатчиков FM-диапазона в этой области. Мы проверили, что без электрической активности в атмосфере интерферометр является полностью нечувствительным к лазерной системе и филаментам, индуцированным лазером. Детектор рентгеновского излучения, расположенный в обтекателе, измерял рентгеновское излучение, испускаемое в диапазоне от 20 кЭв до 1 МэВ. Измерения электрического поля проводили на расстоянии 20 м и 15 км от башни. Наконец, были установлены две высокоскоростные камеры с двумя углами обзора для получения прямой визуализации ударов молний при ясной погоде под высокими грозовыми облаками. Они расположены в Швэгальпе и Кронберге и работали со скоростью 10 000 и 24 000 кадров в секунду соответственно.

Дополнительные данные, рис. 3. Анализ измерений, выполненных высокоскоростной камерой.

рис. 3. Анализ измерений, выполненных высокоскоростной камерой.

Проекционные 2D-гистограммы на основании одного изображения, сопоставляющие a событие L2 с N08, просматриваемое со стороны горы Сэнтис, и b L2 с N05, просматриваемое со стороны Кронберга.

Дополнительные данные, рис. 4. Положение СВЧ-источников.

Статические изображения удалось получить только при одном ударе молнии, когда лазер мигал, в связи с тем, что требовались исключительные условия видимости. Напротив, РЧ-интерферометр также демонстрирует процесс направления в 3 зарегистрированных событиях с лазером (L1, L3, L4) в форме высокой плотности СВЧ-источников рядом с лазерным пучком. Обычные результаты с использованием лазера (события L1, L3, L4) представлены на панелях a-c соответственно. События без лазера (N02, N06, N07) на панелях d-f. Каждая панель демонстрирует 2D-карты (вертикальные и горизонтальные расстояния с вершины башни) источников, представляющих собой удары молний в башню. Цветовой код, показанный справа, соответствует временной шкале. Башня на горе Сэнтис представлена на каждом графике черным, лазерная траектория - красным, а часть лазерной траектории, в которой предполагаются филаменты, - фиолетовым. Пунктирная красная линия на нижних панелях представляет собой траекторию, которой следовал бы отсутствующий лазерный пучок.

Дополнительные данные, рис. 5. Гистограммы расстояния от СВЧ-источника для лазерного пучка.

Сравнение совокупных гистограмм расстояния до лазерного пучка на высотный срез 30 м для всех событий с использованием лазера и без него. a, b и c соответствуют высотным срезам 0-30 м, 30-60 м и 60-90 м соответственно. Когда лазер работает, распределение центрировано ближе к лазерному пучку и является более узким по сравнению с ситуацией, когда лазер не работает.

Дополнительные данные, рис. 6. Геометрия, используемая для симуляции.

рис. 6. Геометрия, используемая для симуляции.

Предполагается, что лазерный филамент будет расположен вертикально и непосредственно над вершиной башни. Левая панель: условия, связанные с положительной вспышкой. Правая панель: условия, связанные с отрицательной вспышкой.

Дополнительные данные, рис. 7. Симуляция воздействия лазерной филаментации на инициацию вспышек молний.

Величина фоновых электрических полей, необходимая для инициации вспышек положительных молний с использованием лазера (красные изогнутые линии, обозначенные "а") и вспышек отрицательных молний с использованием лазера (синие изогнутые линии, обозначенные "b") в зависимости от длины промежутка между нижним концом лазерного филамента и вершиной башни. Кривые, обозначенные "с", отображают величину фонового электрического поля, необходимого для того, чтобы башня инициировала вспышку отрицательной молнии без использования лазерного филамента. Значения длины лазерного филамента, используемые при расчете, приведены на каждой схеме. Следует отметить, что полярность фонового электрического поля, необходимого для инициирования вспышки положительной молнии, противоположна фоновому электрическому полю, необходимому для инициирования вспышки отрицательной молнии. Представленное поле является не суммарным полем, а фоновым электрическим полем. Абсолютное электрическое поле на вершине башни усиливается из-за присутствия башни в 50-100 раз.

Информация об авторах

Thomas Produit
Present address: Institute of Materials Research and Engineering, Agency for Science Technology and Research (A*STAR), Singapore, Singapore
Laboratoire d’Optique Appliquée – ENSTA Paris, Ecole Polytechnique, CNRS, IP Paris, Palaiseau, France
Aurélien Houard, Pierre Walch, Benoit Mahieu, Yves-Bernard André, Magali Lozano, Laurent Bizet & André Mysyrowicz
Groupe de Physique Appliquée, Université de Genève, Geneva, Switzerland
Thomas Produit, Victor Moreno, Ugo Andral, Malte C. Schroeder, Guillaume Schimmel, Michel Moret, Jérôme Kasparian & Jean-Pierre Wolf
EMC Laboratory, Electrical Engineering Institute, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Lausanne, Switzerland
Antonio Sunjerga, Amirhossein Mostajabi & Farhad Rachidi
TRUMPF Scientific Lasers GmbH + Co. KG, Unterfohring, Germany
Clemens Herkommer, Knut Michel & Thomas Metzger
Langmuir Laboratory for Atmospheric Research, New Mexico Institute of Mining and Technology, Socorro, NM, USA
Mark Stanley & W. A. Rison
ArianeGroup, Les Mureaux, France
Oliver Maurice & Bruno Esmiller
Swisscom Broadcast AG, Bern, Switzerland
Walter Haas
School of Management and Engineering Vaud, University of Applied Sciences and Arts Western Switzerland, Yverdon-les-Bains, Switzerland
Marcos Rubinstein
Department of Electrical Engineering, Uppsala University, Uppsala, Sweden
Vernon Cooray
André Mysyrowicz Consultants, Versailles, France
André Mysyrowicz
Institute for Environmental Sciences, Université de Genève, Geneva, Switzerland
Jérôme Kasparian

Справочные материалы

Turman, B. N. & Edgar, B. C. Global lightning distributions at dawn and dusk. J. Geophys. Res. 87, 1191–1206 (1982).
Holle, R. L. The number of documented global lightning fatalities. In 24th International Lightning Detection Conference (ILDC, 2016).
Holle, R. L. Some aspects of global lightning impacts. In 2014 International Conference on Lightning Protection (ICLP) 1390–1395 (IEEE, 2014).
Newman, N. M. in Problems of Atmospheric and Space Electricity 482–490 (Elsevier, 1965).
Gary, C. La Foudre 2nd edn (Masson, 1999).
Ball, L. M. The laser lightning rod system: thunderstorm domestication. Appl. Opt. 13, 2292–2295 (1974).
Wang, D. et al. A possible way to trigger lightning using a laser. J. Atmos. Terr. Phys. 57, 459–466 (1995).
Uchida, S. et al. Laser-triggered lightning in field experiments. J. Opt. Technol. 66, 199–202 (1999).
Rakov, V. A. & Uman, M. A. Lightning: Physics and Effects (Cambridge Univ. Press, 2003).
Chin, S. L. et al. The propagation of powerful femtosecond laser pulses in optical media: physics, applications, and new challenges. Can. J. Phys. 83, 863 (2005).
Couairon, A. & Mysyrowicz, A. Femtosecond filamentation in transparent media. Phys. Rep. 441, 47–189 (2007).
Bergé, L. S., Skupin, R., Nuter, J., Kasparian & Wolf, J.-P. Ultrashort filaments of light in weakly ionized, optically transparent media. Rep. Prog. Phys. 70, 1633 (2007).
Vidal, F. et al. Modeling the triggering of streamers in air by ultrashort laser pulses. IEEE Trans. Plasma Science 28, 418–433 (2000).
Tzortzakis, S. et al. Femtosecond laser-guided electric discharge in air. Phys. Rev. E 64, 57401 (2001).
Cheng, Y.-H., Wahlstrand, J. K., Jhajj, N. & Milchberg, H. M. The effect of long timescale gas dynamics on femtosecond filamentation. Opt. Express 21, 4740–4751 (2013).
Lahav, O. et al. Long-lived waveguides and sound-wave generation by laser filamentation. Phys. Rev. A 90, 021801(R) (2014).
Point, G., Milián, C., Couairon, A., Mysyrowicz, A. & Houard, A. Generation of long-lived underdense channels using femtosecond filamentation in air. J. Phys. B 48, 094009 (2015).
Diels, J.-C., Bernstein, R., Stahlkopf, K. E. & Zhao, X. M. Lightning control with lasers. Sci. Am. 277, 50–55 (1997).
Comtois, D. et al. Triggering and guiding leader discharges using a plasma channel created by an ultrashort laser pulse. Appl. Phys. Lett. 76, 819 (2000).
Rodriguez, M. et al. Triggering and guiding megavolt discharges by use of laser-induced ionized filaments. Opt. Lett. 27, 772–774 (2002).
Kasparian, J. et al. White-light filaments for atmospheric analysis. Science 301, 61–64 (2003).
Fuji, T. et al. Leader effects on femtosecond-laser-triggered discharges. Phys. Plasma 15, 013107 (2008).
Wolf, J.-P. Short-pulse lasers for weather control. Rep. Prog. Phys. 81, 026001 (2018).v
Forestier, B. et al. Triggering, guiding and deviation of long air spark discharges with femtosecond laser filament. AIP Adv. 2, 012151 (2012).
Méchain, G. et al. Range of plasma filaments created in air by a multi-terawatt femtosecond laser. Opt. Commun. 247, 171–180 (2005).
Durand, M. et al. Kilometer range filamentation. Opt. Express 21, 26836 (2013).
Rodriguez, M. et al. Kilometer-range nonlinear propagation of femtosecond laser pulses. Phys. Rev. E 69, 36607 (2004).
Herkommer, C. et al. Ultrafast thin-disk multipass amplifier with 720 mJ operating at kilohertz repetition rate for applications in atmospheric research. Opt. Express 28, 30164 (2020).
Produit, T. et al. The laser lightning rod project. Eur. Phys. J. Appl. Phys. 93, 10504 (2021).
Produit, T. De la réalisation d’un paratonnerre laser. PhD thesis. Univ. Genève (2021).
Romero, C. et al. Measurement of lightning currents using a combination of Rogowski coils and B-dot sensors. In 2010 30th International Conference on Lightning Protection (ICLP) 1–5 (IEEE, 2010);
Romero, C. et al. A system for the measurements of lightning currents at the Säntis Tower. Electr. Power Syst. Res. J. 82, 34–43 (2012).
Azadifar, M. et al. An update on the instrumentation of the Säntis Tower in Switzerland for lightning current measurements and obtained results. In International Colloquium on Lightning and Power Systems (CIGRE, 2014).
Sunjerga, A. et al. Säntis Lightning Research Facility instrumentation. In Joint 35th International Conference on Lightning Protection (ICLP) and 16th International Symposium on Lightning Protection (SIPDA) 20–26 (SIPDA, 2021).
Romero, C., Rachidi, F., Paolone, M. & Rubinstein, M. Statistical distributions of lightning current parameters based on the data collected at the Säntis Tower in 2010 and 2011. IEEE Trans. Power Deliv. 28, 1804 (2013).
Rachidi, F. & Rubinstein, M. Säntis lightning research facility: a summary of the first ten years and future outlook. Elektrotech. Inf. 139, 379–394 (2022).
Ackermann, R. et al. Influence of negative leader propagation on the triggering and guiding of high voltage discharges by laser filaments. Appl. Phys. B 82, 561–566 (2006).
Stanley, M. A. et al. Initial results from a 2nd generation Broadband VHF Interferometer Imaging system. In AGU Fall Meeting 1–17 (AGU, 2020).
Stock, M. G. et al. Continuous broadband digital interferometry of lightning using a generalized cross-correlation algorithm. JGR Atmos. 119, 3134 (2014).
Kasparian, J. et al. Electric events synchronized with laser filaments in thunderclouds. Opt. Express 16, 5757 (2008).
Smorgonskiy, A. et al. An analysis of the initiation of upward flashes from tall towers with particular reference to Gaisberg and Säntis Towers. J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 136, 46–51 (2015).
Walch, P. et al. Cumulative air density depletion during high repetition rate filamentation of femtosecond laser pulses: Application to electric discharge triggering. Appl. Phys. Lett. 119, 264101 (2021).
Burch, D. S., Smith, S. J. & Branscomb, L. M. Photodetachment of O2–. Phys. Rev. 112, 171 (1958).
Schubert, E., Mongin, D., Kasparian, J. & Wolf, J.-P. Remote electrical arc suppression by laser filamentation. Opt. Express 23, 28640–28648 (2015).
Zhao, X. M., Diels, J. C., Wang, C. Y. & Elizondo, J. Femtosecond ultraviolet laser pulse induced lighting discharges in gases. IEEE J. Quant. Elec. 31, 599 (1995).
Andral, U. et al. Second and third harmonic generation from simultaneous high peak- and high average-power thin disk laser. Appl. Phys. B 128, 177 (2022).
Pu, Y. et al. Upward negative leaders in positive triggered lightning: stepping and branching in the initial stage. Geophys. Res. Lett. 44, 7029–7035 (2017).
Saba, M. M. F., Schumann, C., Warner, T. A., Helsdon, J. H. & Orville, R. E. High-speed video and electric field observation of a negative upward leader connecting a downward positive leader in a positive cloud-to-ground flash. Electr. Power Syst. Res. 118, 89–92 (2015).
Jiang, R., Qie, X., Wang, C. & Yang, J. Propagation features of upward positive leaders in the initial stage of rocket-triggered lightning. Atmos. Res. 129, 90–96 (2013).
van der Velde, O. & Montanya, J. Asymmetries in bidirectional leader development of lightning flashes. JGR Atmos. 118, 13504 (2013).
Cooray, V. Introduction to Lightning 331–340 (Springer, 2015).
Cooray, V. in The Lightning Flash 2nd edn (ed. Cooray, V.) 41–115 (IET, 2014).
Bazelyan E. M. & Raizer, Y. P. Spark Discharge 145–202 (CRC, 1997)
Kuffel, E. & Zaengl, W. S. High Voltage Engineering Fundamentals 2nd edn, 201–280 (Pergamon, 1984).
Cooray, V. & Cooray, G. Electromagnetic radiation field of an electron avalanche. Atmos. Res. 117, 18–27 (2012).
Gallimberti, I. The mechanism of the long spark formation. J. Phys. Colloq. 40, 193–250 (1979).
Les Renardières Group. Research on long discharges at les Renardieres. Electra 23, 53–157 (1972).
Les Renardières Group. Negative discharges in long air gaps at les Renardieres. 1978 Results. Electra 74, 67–216 (1981).
Beccerra, M. & Cooray, V. A. Simplified physical model to determine the lightning upward connecting leader inception. IEEE Trans. Power Deliv. 21, 897–908 (2006).
Arora, R. & Mosch, W. High Voltage and Electrical Insulation Engineering 2nd edn, 79–257 (Wiley, 2022).