Э. М. Базелян, д.т.н., профессор;
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва;
признанный отечественный Эксперт в области заземления и молниезащиты
Итак, перед нами еще одна работа, которая по мнению ее авторов “… 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”. Экспериментальный материал статьи убедительно демонстрирует результат активного воздействия на молнию. На этом раз не ракетой с заземленной проволокой (триггерные молнии), а лазерным лучом, который не засоряет молниевый канал парами испарившейся проволоки и не требует нудной подготовки ракетного старта. Нужно ли все это современной науке и технике?
В отношении науки нет никаких сомнений. Молния – самое эффективное природное электрическое явление до сих пор далеко не изучено. Проблему создает редкая частота молниевых разрядов, - на территории России в среднем 3-4 удара в год на 1 км2 земной поверхности. Возбуждать молнию в данном месте в нужный момент времени с микросекундной точностью – пока несбыточная мечта исследователей. Можно, конечно, забраться на высотное сооружение, где частота ударов молнии резко повышенная, но молнии там иной природы, - восходящие. Они стартуют от вершины высотки и направляются к грозовому облаку. По физике это другие молнии, они существенно отличаются от традиционных (нисходящих) параметрами тока и переносимого заряда, которыми и предопределяются все основные опасные воздействия грозового электричества. Очень досадно, но описанные в статье лазерные воздействия, пока демонстрируют эффективность только в отношении старта восходящих молний.
Стоит задуматься над механизмом такого управляющего воздействия. Как минимум это позволит оценить его перспективы. Здесь все определяется процессом развития встречного разряда от вершины наземного сооружения в электрическом поле грозового облака. Это поле нарастает достаточно медленно, за единицы, а то и за сотни секунд и возбуждает встречный разряд в виде бесстримерной ультракороны с очень узкой зоной ионизации, примыкающей непосредственно к вершине сооружения. В пространство над сооружением оттуда имитируются медленно движущиеся ионы. Они снижают электрическое поле за своим фронтом и тем самым препятствуют развитию хорошо проводящего плазменного канала встречного лидера, что способен к самостоятельному развитию, становясь в итоге восходящей молнией. Для перевода бесстримерной короны в более мощную фазу встречного разряда ее ток должен превысить некоторое критическое значение величиной не менее 10 мА. Коронный ток такой величины не может быть обеспечен медленно нарастающим электрическим полем грозового облака даже от столь высотных сооружений как Останкинская телебашня. Требуется дополнительное воздействие в виде быстро нарастающего электрического поля. В реальных природных условиях оно обеспечивается зарядом не слишком далеких нисходящих молний. Сами они не ударяют в высотные сооружения, но, резко усиливая электрическое поле в их ближайшей окрестности, провоцируют старт восходящих молний.
Слово ”быстро” ключевое в предыдущем абзаце. Только при быстром переносе перед вершиной не успевает сформироваться новая порция объемного заряда короны. Именно поэтому бессмысленно, например, медленно поднимать электрод вручную. Однако, метеоракета со скоростью полета порядка 100 м/с вполне годится для этой цели. Вместо такой ракеты по сути дела и работает лазер, быстро создавая хорошо проводящую длинную плазменную нить. Заметим, что никто не мешает поискать и способ попроще, адресуясь к чисто механическим системам . Надо только достоверно оценить минимально допустимую скорость движения выдвигаемого проводника в конкретных условиях. Есть основания полагать, что она окажется вполне реализуемой при помощи относительно простых устройств, например, струи проводящей жидкости под высоким давлением. Не стоит все-таки забывать о стоимости тераваттного лазера с частотой повторения импульсов 1 кГц.
С учета высокой стоимости устройства следует начинать и оценку перспектив использования лазерной техники в практической молниезащите. Цена безусловно имеет значение, хотя сама по себе определяющей в проблеме она не является. Важнее то, что эффективность лазерного воздействия пока установлена только в отношении восходящих молний. Управление ими мало интересует специалистов по молниезащите. Все восходящие молнии с высокой вероятностью стартуют от вершины объектов с максимально сильным электрическим полем. Особо беспокоиться о них не приходится. Тем более, нет смысла искусственно стимулировать развитие восходящих молний. Как поведет себя лазерное управление в отношении нисходящих молний? Здесь нужны серьезные дополнительные исследования. Они еще не проведены.
А теперь фундаментальный вопрос. Современная техника требует очень высокой надежности защиты от прямых ударов молнии, вплоть до 0,999. Представьте себе на мгновенье, что созданное управляющее лазерное воздействие в состоянии ее обеспечить. Но в состоянии ли работать со столь же высокой надежностью сама лазерная техника? Очень боюсь, что сегодня последний вопрос останется без положительного ответа. Тем более, что под надежностью нужно понимать не просто генерацию лазерного излучения, а формирование его в нужный момент времени, когда лидер нисходящей молнии действительно приблизится к защищаемому сооружению и станет реально опасным для него. Именно тогда следует стимулировать старт встречного лидера от молниеотвода, чтобы перехватить на себя опасно продвигающуюся нисходящую молнию.
Конечно, можно работать на опережении, заранее запустив лазерную систему. В таких условиях рожденный встречный лидер может не распознать нисходящую молнии и будет распространяться по полю грозового облака. В итоге он превратится в искусственно созданную восходящую молнию, которая ударит в молниеотвод. Хорошего в этом мало, потому что ток такой молнии в молниеотводе станет дополнительным источников электромагнитных наводок, опасных для соседних объектов с большим объемом микроэлектроники. В этой связи важно заметить, что у авторов статьи лазерная система в совокупности проработала более 6 часов, прежде чем было зафиксировано 4 спровоцированных ею восходящих молнии. Подобное вряд л и можно будет допустить в практической молниезащите, где наверняка потребуется надежная система синхронизации. А это еще одна проблема, влияющая на надежность защиты.
Наконец, нуждается в серьезном изучении вопрос о радиусе защиты молниеотводов с лазерным управлением. Без этого трудно надеяться на их практическое использование для защиты таких крупногабаритных сооружений, как аэродромы или стартовые площадки космодромов, на что надеются авторы статьи.
Похоже, что проблем хватает и большинство из них требует продолжения серьезных научных исследований.
Смотрите также:
Влияние лазерного луча на электрические разряды
Управляемая лазером молния - эксперимент на горе Сэнтис
2. Энергоёмкость управляющих воздействий на молнию
Как ориентируется молния и можно ли управлять этим процессом