Laserstrålen avleder vägen för blixtnedslag

Att avfyra en laserstråle mot himlen kan avleda vägen för ett blixtnedslag, har ett internationellt team av forskare upptäckt. Forskarna säger att deras arbete kan leda till bättre åskskydd för flygplatser och annan kritisk infrastruktur, samt bana väg för nya atmosfäriska tillämpningar av ultrakorta lasrar.

Satellitdata tyder på att det över hela världen sker mellan 40 och 120 blixtar – inklusive moln-till-jord och molnblixtar – varje sekund. Sådana elektrostatiska urladdningar mellan moln och jordens yta är ansvariga för tusentals dödsfall och skador till ett värde av miljarder dollar varje år.

Det vanligaste skyddet mot blixtnedslag är blixtstången, även känd som en Franklin-stång. Denna elektriskt ledande metallmast erbjuder en föredragen nedslagspunkt för blixtnedslag och leder den elektriska urladdningen säkert till marken.

Men Franklin-spön fungerar inte alltid perfekt och ger begränsad täckning. Området de skyddar har en radie som ungefär motsvarar deras höjd: en stav på 10 m skyddar ett område med en radie på 10 m. Detta innebär att tillförlitligt skydd av stora områden av infrastruktur kräver flera eller omöjligt höga stavar.

Som ett alternativ har forskare föreslagit att intensiva laserpulser kan användas för att styra blixtnedslag. Tanken, som tidigare bara har utforskats i laboratorieförhållanden, är att laserstrålen skulle fungera som en stor rörlig stav.

Den grundläggande teorin bakom en laserbaserad blixtledare är att intensiva och korta laserpulser avfyras i luften, där de blir tillräckligt intensiva för att jonisera luftmolekyler. Längs dessa långa smala kanaler av joniserande laserpulser värms luftmolekyler snabbt upp och stöts ut med överljudshastigheter. Detta lämnar efter sig långlivade luftkanaler med reducerad densitet som är mer elektriskt ledande än omgivande regioner, vilket erbjuder en enklare väg för elektriska urladdningar från blixtar att färdas längs.

"När laserpulser med mycket hög effekt sänds ut i atmosfären bildas filament av mycket intensivt ljus inuti strålen," förklarar Jean Pierre Wolf, fysiker vid universitetet i Genève. "Dessa filament joniserar kväve- och syremolekylerna i luften, som sedan frigör elektroner som är fria att röra sig. Denna joniserade luft, som kallas plasma, blir en elektrisk ledare."

För att testa denna idé begav sig Wolf och ett team av forskare från Europa och USA till en av Europas blixtar: berget Säntis i nordöstra Schweiz. På toppen av detta 2500 m höga berg finns ett 124 m högt telekommunikationstorn som träffas av blixten cirka 100 gånger om året.

Teamet installerade en specialutvecklad laser nära kommunikationstornet. Storleken på en stor bil och väger mer än tre ton, avgav lasern pulser av pikosekunders varaktighet och 500 mJ energi med en hastighet av cirka tusen pulser per sekund. Mellan juli och september 2021 körde forskarna lasern under totalt 6.3 timmars åskaktivitet inom 3 km från tornet.

Kan lasrar styra och styra blixtens väg?

Under den två månader långa experimentperioden träffades tornet av minst 16 blixtar, varav fyra inträffade under laseraktivitet. Alla fyra av dessa uppåtgående blixtnedslag avleddes av lasern. Forskarna använde blixtströmsmätningar på tornet, elektromagnetiska fältantenner och röntgensensorer för att fånga detaljer om elektromagnetiska vågor och röntgenskurar som genereras av blixtnedladdningarna för att bekräfta platsen för nedslagen.

Vägen till en av attackerna registrerades också av två höghastighetskameror. Bilderna visar att blixten till en början följde laserns väg i cirka 50 m.

"Från den första blixten med lasern upptäckte vi att urladdningen kunde följa strålen i nästan 60 m innan den nådde tornet, vilket innebär att den ökade skyddsytans radie från 120 m till 180 m", säger Wolf.

Forskarna redovisar sina resultat i Naturfotonik.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/laser-beam-diverts-the-path-of-lightning-strikes/