Конденсировать водяной пар в атмосфере можно с помощью лазера

Рис. 1. Лазерный луч создается таким, что наибольшая интенсивность его электромагнитного излучения сосредотачивается в центре. Слева: схематический график, показывающий, как меняется интенсивность излучения в луче по мере удаления от его центральной оси. В центре: поскольку показатель преломления воздуха увеличивается с ростом интенсивности излучения, проходящего через него (оптический эффект Керра), воздушная среда начинает вести себя по отношению к лазерному лучу как собирающая линза, вызывая его фокусировку. Вследствие такой самофокусировки интенсивность излучения становится достаточной для ионизации окружающего воздуха и образования плазмы в ограниченном объеме окружающей среды. Справа: показатель преломления плазмы меньше, чем у воздуха, поэтому далее луч расходится, как будто бы проходя через рассеивающую линзу, и приобретает первоначальные характеристики (до самофокусировки). Рисунок с сайта americanscientist.org

Искусственный дождь обычно вызывают, засевая облака из самолетов специальными реагентами (йодистым серебром и/или сухим льдом) либо бомбардируя их снарядами. Группа ученых из Германии, Швейцарии и Франции в лаборатории и в реальных атмосферных условиях показала, что спровоцировать конденсацию водяного пара в воздухе можно, если стрелять в него мощными лазерными импульсами. Более того, сжижение водяного пара возможно даже тогда, когда относительная влажность воздуха не достигает 100%.

Хотя влияние человека на земной климат уже не вызывает сомнений, контролируемо изменять погодные условия в пределах какой-то области или всей планеты в целом мы пока не научились. Правда, локальные успехи в этом направлении имеются. В первую очередь следует выделить известный метод засевания облаков (с помощью ракет и снарядов либо из самолетов) частицами специального реагента — йодистого серебра и/или сухого льда, — который провоцирует конденсацию водяного пара и выпадение осадков в виде дождя.

Исследователи из Германии, Швейцарии и Франции изобрели более эффективный способ заставить присутствующую в облаках влагу сжижаться. Для этого нет необходимости подниматься в воздух — достаточно просто направить в атмосферу мощные лазерные лучи. Результаты своих изысканий ученые опубликовали в статье Laser-induced water condensation in air в журнале Nature Photonics.

Образование и последующее укрупнение капель воды происходит по тому же принципу, что и при засевании облаков специальными веществами: при появлении в перенасыщенном паре (то есть паре, относительная влажность которого больше 100%) каких-либо сторонних частиц — центров конденсации — на них начинают образовываться и быстро расти капли жидкости, которые можно обнаружить даже невооруженным глазом.

Идея нового метода базируется на том, что мощный лазерный луч за счет своей очень высокой интенсивности ионизирует ту часть атмосферы, в которую он попадает. Возникающие в результате облучения ионы молекул газов, образующих воздушную среду, как раз и становятся центрами, вокруг которых сосредотачивается рост водяных капель.

Однако не всякий лазер подходит для выполнения поставленной задачи. Устройство должно уметь генерировать лучи, интенсивность которых остается очень большой на расстоянии десятков и сотен метров при их движении в атмосфере. Ведь хорошо известно, что воздух неизбежно приводит к дифракции луча, его расходимости и, соответственно, падению интенсивности. Тем не менее если мощность лазера превосходит определенную величину (например, для лазерного излучения с длиной волны 800 нм этот порог равен 3 ГВт), то, двигаясь через воздушную среду, луч, пройдя некоторое расстояние, начинает помогать сам себе оставаться сфокусированным и направленным. Такая самофокусировка объясняется оптическим эффектом Керра: показатель преломления вещества зависит от интенсивности распространяющегося через него света.

Структура лазерного луча такова, что его интенсивность в центре больше, чем по бокам (рис. 1, слева). Из эффекта Керра следует, что показатель преломления в центре луча оказывается больше, чем на его краях. Поэтому воздух формально ведет себя по отношению к лазерному излучению как собирающая линза, благодаря чему толщина луча уменьшается (рис. 1, центр). Фокусировка приводит к увеличению интенсивности. Когда она достигает некого предельного значения, происходит то, что ученые называют многофотонной ионизацией. Фотоны лазерного луча выбивают электроны из молекул кислорода и азота, формируя плазму. Плазма за счет меньшего, чем окружающая среда, показателя преломления начинает дефокусировать луч, уменьшая его интенсивность до исходного значения (рис. 1, справа). Затем всё повторяется. За счет таких вот чередующихся процессов самофокусировки и дефокусировки лазерный луч может преодолеть, не расходясь, дистанцию в десятки и даже сотни метров (рис. 2).

Рис. 2. Самофокусировка (красные линии), возникающая вследствие эффекта Керра, и дефокусировка (синии линии), следующая из ионизации воздуха лазерным импульсом, позволяют лучу преодолевать расстояния в десятки и сотни метров, не испытывая при этом расходимости. Рисунок с сайта americanscientist.org

Большой мощности лазерного луча можно добиться за счет накопления энергии излучения на очень коротком временном интервале. Но не только поэтому важно делать продолжительность импульса чрезвычайно малой. Его маленькая длительность помимо всего прочего не дает возможности возникнуть явлению каскадной ионизации, когда концентрация свободных электронов становится такой, что они начинают ионизировать молекулы даже вдали от проходящего лазерного луча. Всё это приводит к невозможности самофокусировки луча при его дальнейшем движении.

В распоряжении авторов статьи был сконструированный ими ранее уникальный лазер, носящий имя Teramobile. Он генерировал импульсы излучения с длиной волны 800 нм и энергией 220 мДж. Продолжительность импульсов была 60 фемтосекунд (фемто = 10^–15), что соответствовало мощности 3,5 ТВт. Для начала исследователи решили проверить новый механизм конденсации водяного пара в лабораторных условиях. Герметичную камеру заполнили при нормальном атмосферном давлении воздухом, перенасыщенным водяным паром. Температура воздуха составляла –24°C, относительная влажность около 230%). Когда в эту камеру стреляли двумя лазерными импульсами с интервалом в 0,1 с, конденсация пара в ней была заметна даже невооруженным глазом (рис. 3). Для большей убедительности ученые представили количественные данные наблюдаемого процесса. По их мнению, эти результаты нельзя интерпретировать как случайный процесс конденсации, происходящий в перенасыщенном паре, поскольку после попадания лазерных лучей в герметичную камеру суммарная масса сконденсированной воды увеличилась более чем в 1,5 раза (см. черную кривую на рис. 3).

Рис. 3. Конденсация перенасыщенного водяного пара (относительная влажность 230%, температура –24°C) в камере, индуцированная мощным лазерным излучением. Вид внутри камеры до (a) и после стрельбы (b) в нее тремя последовательными, с интервалом 100 мс, лазерными импульсами (см. также видео). Белые области соответствуют воде, перешедшей в жидкое состояние. (c) — зависимости концентрации водяных капель маленького (меньше 20 мкм, красная кривая) и среднего (20–100 мкм, зеленая кривая) диаметра, образующихся в герметичной камере под действием двух «выстрелов» лазером, и общей массы сконденсировавшейся воды (черная кривая) от времени. (Лазерные импульсы подавались в моменты t = 0 и t = 0,1 с.) Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Photonics

Как уже было сказано, ионизация мощными лазерными импульсами приводит к образованию центров конденсации и переходу воды из газообразного состояния в жидкое. Однако, проведя серию экспериментов в камере с относительной влажностью воздуха от 70 до 90% и температурой от 20 до 60°C, ученые обнаружили, что конденсация водяного пара происходит даже тогда, когда относительная его влажность меньше 100%, то есть когда он не перенасыщен. Дать объяснение такому явлению авторы статьи не смогли. Базируясь на данных из проведенных опытов, они установили, что пороговый минимум влажности, при которой лазер в состоянии индуцировать конденсацию, составляет около 75%.

В связи с этим ученые решили провести серию экспериментов на открытой местности, в условиях, когда лабораторный контроль условий затруднителен, а относительная влажность не превышает 100%. Испытания проводились поздней осенью 2008 года в Берлине. Относительная влажность в день эксперимента колебалась в пределах 90–93% при температуре воздуха 2°C. Уровень загрязнения атмосферы аэрозолями (мелкими частицами в атмосфере), могущими стать непредвиденными центрами конденсации, был очень низок и не мог оказать влияния на результаты эксперимента. Лазер испускал лучи в атмосферу таким образом, что наиболее активно ионизировалась область пространства на высоте от 45 до 70 метров.

Капли воды в атмосфере детектировались с помощью технологии лидар. Через 1 мс после запуска в небо мощного лазерного импульса запускался еще один импульс, также в оптическом диапазоне, но уже значительно меньшей мощности (рис. 4а). Его основным назначением было рассеяние на каплях воды, если таковые появятся после первого лазерного луча. В оптике известно два типа рассеяния — рассеяние на объектах, размеры которых значительно меньше длины световой волны, или рассеяние Рэлея (оно отвечает за голубой цвет неба), и рассеяние Ми (дающее серый и белый цвет облакам), когда размер объекта существенно больше длины волны света.

Рис. 4. (a) Схема экспериментальной установки. Лазер Teramobile (показан красным цветом) испускал в атмосферу мощный импульс с таким расчетом, чтобы ионизировать воздух, находящийся между высотами 45 и 75 метров. Через 1 мс после выстрела из лазера Teramobile запускался маломощный зеленый луч из лазера лидар (показан зеленым цветом) для измерения количества образовавшихся водяных капель. Рассеянный на каплях воды свет от лазерного луча лидара регистрировался телескопом и передавался для анализа в специальную аппаратуру. (b) Результат обработки полученных данных: распределение по высоте коэффициента рассеяния Ми до запуска мощного импульса с Teramobile (вертикальная прямая) и после него. Область атмосферы, где лидарный луч рассеивался сильнее всего, выделена серым цветом. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Photonics

Численно охарактеризовать рассеяние Ми можно с помощью специального коэффициента. Чем больше его величина, тем сильнее рассеяние Ми. Именно это соотношение и было применено для ответа на вопрос: происходила под влиянием лазерного луча значительной мощности конденсация водяного пара в атмосфере или нет?

Рассеянное от лидарного лазера излучение собиралось телескопом и анализировалось специальной аппаратурой. Обработанные данные четко показали, что в интервале высот между 45 и 75 метрами рассеяние Ми было наиболее активным. Коэффициент Ми вырастал на 0,5% по сравнению со значением, измеренным до ионизации атмосферы тераваттным импульсом. Но именно в эту область атмосферы и был произведен выстрел этим импульсом. Так как аэрозольное загрязнение атмосферы было несущественным, то ученые однозначно интерпретировали полученные данные как доказательство начавшегося процесса конденсации водяного пара, поскольку лазерный луч лидара мог рассеиваться только на возникших каплях воды и ни на чём более.

Может показаться, что увеличение коэффициента Ми на полпроцента ничтожно. Но не стоит забывать, что время, после которого технология лидар начала фиксировать рассеяние лазерного импульса, составляло всего 1 мс. За это время успело родиться недостаточное количество водяных капель, однако и этого хватило, чтобы детектировать существование эффекта конденсации водяного пара под действием лазерного импульса значительной мощности.

Может возникнуть вопрос: а почему же тогда ученые не увеличили временной промежуток между лазерными импульсами своей установки и лидара? Такая поспешность была связана исключительно с нестабильностью атмосферы: рожденные капли легко могли быть подхвачены турбулентными воздушными потоками и унесены в сторону, что не позволило бы сделать вывод о влиянии мощного лазерного импульса на сжижение атмосферной воды.

К сожалению, в статье не сообщается, удалось ли ученым с помощью своего лазера вызвать дождь в реальных, не лабораторных, условиях. Тем не менее результаты экспериментов указывают на то, что данная технология способна ускорять процесс выпадения осадков в условиях повышенной влажности.

Источник: Philipp Rohwetter, Jerome Kasparian, Kamil Stelmaszczyk, Zuoqiang Hao, Stefano Henin, Noelle Lascoux, Walter M. Nakaema, Yannick Petit, Manuel Quei?er, Rami Salame, Estelle Salmon, Ludger Woste, Jean-Pierre Wolf. Laser-induced water condensation in air // Nature Photonics, published online: 2 May 2010.

Юрий Ерин

<< Назад