Конденсувати водяну пару в атмосфері можна за допомогою лазера • Юрій Єрін • Новини науки на
Штучний дощ зазвичай викликають, засіваючи хмари з літаків спеціальними реагентами (йодистим сріблом та/або сухим льодом) або бомбардуючи їх снарядами. Група вчених з Німеччини, Швейцарії та Франції в лабораторії та реальних атмосферних умовах показала, що спровокувати конденсацію водяної пари в повітрі можна, якщо стріляти в неї потужними лазерними імпульсами. Більше того, зрідження водяної пари можливе навіть тоді, коли відносна вологість повітря не досягає 100%.
Хоча вплив людини на земний клімат вже не викликає сумнівів, контрольовано змінювати погодні умови в межах якоїсь області чи всієї планети загалом ми поки що не навчилися. Щоправда, локальні успіхи у цьому напрямі є. Насамперед слід виділити відомий метод засівання хмар (за допомогою ракет та снарядів або з літаків) частинками спеціального реагенту — йодистого срібла та/або сухого льоду, який провокує конденсацію водяної пари та випадання опадів у вигляді дощу.
Утворення та подальше укрупнення крапель води відбувається за тим же принципом, що і при засіванні хмар спеціальними речовинами: при появі в перенасиченій парі (тобто парі, відносна вологість якої більше 100%) будь-яких сторонніх частинок - центрів конденсації - на них починають утворюватися і швидко рости краплі рідини, які можна виявити навіть неозброєним оком.
Ідея нового методу базується на тому, що потужний лазерний промінь за рахунок своєї дуже високої інтенсивності іонізує частину атмосфери, в яку він потрапляє. Іони молекул газів, що виникають в результаті опромінення, утворюють повітряне середовище, якраз і стають центрами, навколо яких зосереджується зростанняводяні краплі.
Однак не всякий лазер підходить для виконання поставленого завдання. Пристрій повинен вміти генерувати промені, інтенсивність яких залишається дуже великою на відстані десятків і сотень метрів за їхнього руху в атмосфері. Адже добре відомо, що повітря неминуче призводить до дифракції променя, його розбіжності та, відповідно, падіння інтенсивності. Тим не менш, якщо потужність лазера перевищує певну величину (наприклад, для лазерного випромінювання з довжиною хвилі 800 нм цей поріг дорівнює 3 ГВт), то, рухаючись через повітряне середовище, промінь, пройшовши деяку відстань, починає допомагати сам собі залишатися сфокусованим і спрямованим. Таке самофокусування пояснюється оптичним ефектом Керра: показник заломлення речовини залежить від інтенсивності світла, що поширюється через нього.
Структура лазерного променя така, що його інтенсивність у центрі більша, ніж з боків (рис. 1,зліва). З ефекту Керра випливає, що показник заломлення в центрі променя виявляється більшим, ніж на його краях. Тому повітря формально поводиться по відношенню до лазерного випромінювання як лінза, що збирає, завдяки чому товщина променя зменшується (рис. 1,центр). Фокусування призводить до збільшення інтенсивності. Коли вона досягає певного граничного значення, відбувається те, що вчені називають багатофотонною іонізацією. Фотони лазерного променя вибивають електрони з молекул кисню та азоту, формуючи плазму. Плазма за рахунок меншого, ніж довкілля, показника заломлення починає дефокусувати промінь, зменшуючи його інтенсивність до вихідного значення (рис. 1,право). Потім все повторюється. За рахунок таких процесів самофокусування і дефокусування лазерний промінь може подолати, не розходячись, дистанцію в десятки і навіть сотні метрів.(Рис. 2).
Великої потужності лазерного променя можна досягти за рахунок накопичення енергії випромінювання на дуже короткому часовому інтервалі. Але не тільки тому важливо робити тривалість імпульсу надзвичайно малою. Його невелика тривалість також не дає змоги виникнути явищу каскадної іонізації, коли концентрація вільних електронів стає такою, що вони починають іонізувати молекули навіть далеко від лазерного променя, що проходить. Все це призводить до неможливості самофокусування променя за його подальшого руху.
У зв'язку з цим вчені вирішили провести серію експериментів на відкритій місцевості, в умовах, коли лабораторний контроль умов є скрутним, а відносна вологість не перевищує 100%. Випробування проводилися пізно восени 2008 року в Берліні. Відносна вологість у день експерименту коливалася в межах 90-93% за температури повітря 2°C. Рівень забруднення атмосфери аерозолями (дрібними частинками в атмосфері), які можуть стати непередбаченими центрами конденсації, був дуже низький і не міг вплинути на результати експерименту. Лазер випромінював промені в атмосферу таким чином, що найбільш активно іонізувалася область простору на висоті від 45 до 70 метрів.
Краплі води в атмосфері детектувалися за допомогою технології лідер. Через 1 мс після запуску в небо потужного лазерного імпульсу запускався ще один імпульс, також в оптичному діапазоні, але значно меншої потужності (рис. 4а). Його основним призначенням було розсіювання на краплях води, якщо з'являться після першого лазерного променя. В оптиці відомо два типи розсіювання — розсіювання на об'єктах, розміри яких значно менші за довжину світлової хвилі, або розсіювання Релея (воно відповідає за блакитний колір неба), та розсіювання Мі (що дає сірий та білий)колір хмар), коли розмір об'єкта істотно більший за довжину хвилі світла.
Чисельно охарактеризувати розсіювання Мі можна за допомогою спеціального коефіцієнта. Чим більша його величина, тим сильніше розсіяння Мі. Саме це співвідношення і було застосовано для відповіді на питання: чи відбувалася під впливом лазерного променя значної потужності конденсація водяної пари в атмосфері чи ні?
Розсіяне від лідарного лазера випромінювання збиралося телескопом та аналізувалося спеціальною апаратурою. Оброблені дані чітко показали, що в інтервалі висот між 45 і 75 метрами розсіювання Мі було найактивнішим. Коефіцієнт Мі зростав на 0,5% порівняно зі значенням, виміряним до іонізації атмосфери тераватним імпульсом. Але саме в цю область атмосфери і було зроблено постріл цим імпульсом. Так як аерозольне забруднення атмосфери було несуттєвим, то вчені однозначно інтерпретували отримані дані як доказ процесу конденсації водяної пари, що почався, оскільки лазерний промінь лідара міг розсіюватися тільки на краплях води, що виникли, і ні на чому більше.
Може здатися, що збільшення коефіцієнта Мі на піввідсотка мізерно. Але не варто забувати, що час, після якого технологія лідар почала фіксувати розсіювання лазерного імпульсу, становив лише 1 мс. За цей час встигло народитись недостатня кількість водяних крапель, проте і цього вистачило, щоб детектувати існування ефекту конденсації водяної пари під дією лазерного імпульсу значної потужності.
Може виникнути питання: а чому ж тоді вчені не збільшили часовий проміжок між лазерними імпульсами своєї установки та лідара? Така поспішність була пов'язана виключно з нестабільністю атмосфери: народжені краплі могли бути підхоплені.турбулентними повітряними потоками та віднесені убік, що не дозволило б зробити висновок про вплив потужного лазерного імпульсу на зрідження атмосферної води.
На жаль, у статті не повідомляється, чи вдалося вченим за допомогою свого лазера спричинити дощ у реальних, не лабораторних умовах. Проте результати експериментів вказують на те, що дана технологія здатна прискорювати випадання опадів в умовах підвищеної вологості.
Джерело: Philipp Rohwetter, Jérôme Kasparian, Kamil Stelmaszczyk, Zuoqiang Hao, Stefano Henin, Noëlle Lascoux, Walter M. Nakaema, Yannick Petit, Manuel Queißer, Rami Salamé, Estelle Salmon, Ludger Wö . Laser-induced water condensation in air //NaturePhotonics, публікується онлайн: 2 May 2010.