В статье рассматривается возможность управления линейной молнией при помощи лазерного излучения малой интенсивности.При исследовании электрического разряда в воздушное полупространство [1] отмечена способность данного разряда «управляться» лазерным лучом малой интенсивности. В настоящее время существует проблема лазерного управления разрядом молнии [2]. Многочисленные работы в этом направлении, однако, показывают, «что надежды на быстрое решение проблемы управления молнией при помощи лазерного излучения не оправдались» [3] 

Тщательное рассмотрение данной проблемы в [2] наметило пути выхода из данной ситуации. Авторы [2] считают, что создплазменного канала (с помощью лазера) в одной атмосфере на возможно большей высоте представляет несомненный интерес для науки о молнии, и в конечном итоге принесет больше пользы в деле молниезащиты. Авторы [2] предупреждают, что: «На этом пути имеется много трудностей принципиального и практического характера».

Не очень оптимистические оценки решения данной проблемы лежат в слабом теоретическом понимании процессов молниеобразования. В [2] особенно отмечается, что: «нет ни адекватной теории, ни численных расчетов и даже качественного понимания явлений, определяющих скорость лидера… Не многим лучше (в количественном отношении) обстоит дело и с теорией лидерного канала.». К разряду молнии с полным основанием можно отнести высказывание: «Электрический разряд оказался очень «неудобным» для теоретического описания и вместе с тем интереснейшим в экспериментальном аспекте явлением»[4].

Экспериментальная часть

В настоящей работе для создания импульсного разряда в воздушное полупространство использовалась конденсаторная батарея емкостью 0,6 мФ, заряжаемая до ~5кВ. Схема установки приведена на рис. 1. При замыкании — размыкании разрядника 5 с электрода 3 вылетает «струя». Струя выносит потенциал катода в воздушное полупространство на значительную высоту (виртуальный катод). Зонд, установленный на высоте ~ 15см, фиксирует практически тот же потенциал, что и на катоде. Проведенные исследования показали, что светимость созданного образования продолжается после обрыва разряда ещё несколько сотен миллисекунд (свет фиксируется из зоны, расположенной над катодом на высоте от 15см до 45см выше катода). По горизонтальной оси откладывается время (все измерения в одном масштабе времени). Типичное время разряда составляет 100±20мс и зависит от материала катода. Электрическое поле в струе составляет менее 8 В см+1.

1 — полиэтиленовая емкость, 2 — кольцевой электрод, 3 — центральный электрод, 4 — конденсаторная батарея емкостью 0.6 mF, 5 — разрядник, 6 — капля воды или водной суспензии, 7 — кварцевая трубка, 8 — угольный или металлический электрод, 9 — медная шина.

На струю воздействовали слабым лазерным излучением менее 1мВт на высоте 22 см. Луч лазера направлялся перпендикулярно оси разряда, и струя, достигнув луча лазера, двигалась по лучу в сторону лазера. На рис. 2 струя прошла по лучу лазера ~ 8,5 см, и стало появляться обычное шаровое образование, искаженное (из-за движения по горизонтали) по отношению к обычному шаровому образованию. Обычное шаровое образование изображено на рис. 3 (см. также обложку).

Обсуждение

Как справедливо упоминается в [5], применять результаты модельных экспериментов непосредственно к лазерному управлению молнии трудно, так как характеристики разряда на коротких промежутках отличны от характеристик разрядов молний. Действительно, сравнивая предполагаемые ток и поле в молнии (i ~ 100 А, ~ 3 В см^-1) и у лабораторной искры (~1A, ~300 B см^-1) мы видим некорректность моделирования этого процесса. С другой стороны в [2] отмечается, что «Лидерный канал похож на канал дуги… При токе ~ 100 А плазма канала дуги поддерживается полями в несколько вольт на сантиметр. Именно таковы токи лидера у молнии». Даже у воздушной дуги атмосферного давления при токах около 1А поле составляет около 100 В см^-1. Создаваемые нами разряды (струя) с полем менее 8 В см^-1 (максимальный ток в разрядном промежутке 50-60 А), более близки к моделированию лидерного канала линейной молнии, чем типичные разряды для исследования этих процессов, например, [6].

В первом приближении лидерный канал в [2] принимается как идеальный проводник. Мы ведём исследования по уточнению поля в разряде (струе). Это актуально с точки зрения сделанного в [2] предположения о причине случайного рождения новых лидерных головок: «Поверхность эквипотенциального плазменного проводника — канала обладает неустойчивостью. На случайном остром выступе возникает усиленное вдоль острия поле. Под его действием выступ начинает расти, причём в любом направлении, в том числе и под значительным углом к слабому внешнему полю». Вышесказанное, надо полагать, объясняет то, почему наш лидерный канал изменяет направление и идёт под углом ~ 90° к своему первоначальному движению (рис. 2). Слабое гармоническое воздействие лучом лазера на лидерный канал вызывает образование новой головки, которая продолжает движение под «значительным углом».

Эффект движения плазмы навстречу световому лучу является проявлением общей тенденции распространения разрядов на падающее электромагнитное поле [7].

«Область, занимаемая плазмой, увеличивается, как правило, навстречу лазерному излучению» [8]. Лидерный характер движения нашего образования подтверждается в [9], а взаимодействие с лазерным лучом — [10]. Нужно учесть, что в работах [9-10] эксперименты велись на установках, создающих подобный разряд на 2 порядка хуже, чем установка, представленная в данной работе. Естественно, результаты менее определённые. Сравнение разрядов дано в [11].

По нашим данным, лидерный канал (струя) имеет очень резкую границу (менее 1 мм) и поле в этом слое может составить (на высоте 15 см) ~ 30 кВ см^-1.

Выводы

Благодаря предположению [2] о неустойчивости поверхности эквипотенциального лидерного канала, удалось задать «управляющее» воздействие на электрический разряд, моделирующий линейную молнию, с помощью слабых гармонических колебаний (лазером). Предполагается использовать данный механизм в управлении линейными молниями.

Литература

1.     Шабанов Г.Д. Оптические свойства светящихся образований.//Письма в ЖТФ. 2002. Т.28. В.4. С.81-86.

2.      Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Механизм притяжения молнии и проблема лазерного управления молнией (Физика наших дней). //УФН. 2000. Т. 170. №7. С.753-769.

3.     Стариков А.Д. Резунков Ю.А. Управление

разрядом молнии с помощью лазерного излучения. // Оптический журнал. 1999. Т.66. №3. С.15-16.

4.     Мейерович Б.Э. На пути к осуществлению электромагнитного коллапса. //УФН 1986. Т.149. В.2. С.221-257.

5.     Мегуму Мики, Ацуши Уада, Такатоши Шиндо. Характеристики управляемых лазером разрядов в длинных воздушных промежутках. //Оптический

журнал. 1993. Т.66. №3. С.25-29.

6.      Рэмбо П., Биггерт Дж., Кубечек В., Шварц Дж., Берстейн А., Диле Ж., Бернстейн Р., Шталкопф К.. Лабораторные исследования молниевого разряда, инициированного лазером. //Оптический журнал.

1999. Т.66. №3. С.30-35.

7.      Райзер. Ю.П.. Лазерная искра и распространение разрядов. М.: Наука. 1974. — 308 с.

8.     Мак А.А., Соловьёв Н.А.. Введение в физику высотемпературной лазерной плазмы. Л. Изд. Ленинградского университета. 1991. — 152с.

9.      Емелин С.Е., Пирозерский А.Л., Семёнов В.С., Скворцов Г.Е.. Характеристики распространения динамического состояния в струе капиллярного разряда.

//Письма в ЖТФ. 1997. Т.23. В.19. С.54-59.

10.  Авраменко Р.Ф., Гридин А.Ю., Климов А.И., Николаева В.И. Экспериментальное изучение энергоёмких компактных плазменных образований. // Сб. ст. Шаровая молния в лаборатории. М.: Химия. 1994.

11.   Шабанов Г.Д., Жеребцов О.М., Экспериментальное моделирование аналога шаровой молнии. //Тезисы 10-й Российской конференции по шаровой молнии. Москва (Дагомыс). 2002. С.17-20.