Лазер против облаков

Лазер против облаков

Как это ни прискорбно, погодные явления (в частности, дождь) до сих пор не подвластны человеку. Даже самые современные методы активных воздействий (например, засев облаков йодистым серебром) не позволяют вызвать дождь точно в заданном районе. Дедал намерен коренным образом исправить существующее положение дел. Он рассуждает так: если выбить электрон из капельки воды, находящейся в облаке, то эта капля приобретет положительный заряд. Выбитый электрон тут же попадет на какую-нибудь соседнюю каплю, которая таким образом получит отрицательный заряд. Под действием сил электростатического притяжения эти две капли сблизятся и сольются в одну. Многократно повторяя этот процесс внутри облака, можно постепенно вырастить капли до такого размера, что они выпадут в виде дождя. Для выбивания электронов из капель естественно было бы использовать фотоэлектрический эффект; по расчетам Дедала, для осуществления этого процесса подойдет ультрафиолетовое излучение с длиной волны 100 нм и короче. Нужно заметить, что число капелек в облаке несравнимо меньше числа фотонов в пучке света, так что необходимая мощность излучения не превышает нескольких ватт. Соответственно высокоэффективный «генератор погоды» фирмы КОШМАР представляет собой небольшой лазер ультрафиолетового диапазона, установленный на поворотной турели, что позволит легко направлять его в любую часть неба.

Лазерный генератор погоды в действии.

Наконец-то унылый британский климат будет укрощен. Любой фермер сможет выкроить из тучи порцию дождя по размерам своего поля. При организации на открытом воздухе какой-либо церемонии ее устроители загодя смогут очистить небо от облаков над местом ее проведения, направляя выпадающий дождь в ближайший канал или водоем. Еще один лазер вырежет в облаках просвет, сквозь который солнечные лучи прольются на площадь, где происходит собрание. Конечно, дыры в облаках будут производить довольно странное впечатление, но они достаточно быстро затянутся. Этот же метод можно использовать для того, чтобы писать на облаках различные объявления, рекламы и т. д., хотя эффект такого зрелища будет сильно «подмочен», когда на собравшихся внизу зевак из облаков неожиданно хлынет ливень[12].

New Scientist, December 4, 1980

Из записной книжки Дедала

Согласно теории фотоэффекта, один фотон может выбить из капли один электрон. Это утверждение проверено на практике — вспомним классический опыт Милликена по определению заряда электрона с помощью капелек жидкости, заряженных под действием излучения. Первый ионизационный потенциал молекулы воды равен I = 12,56 эВ = 2,0 ? 10^-18Дж; соответственно для выбивания электрона из молекулы воды необходим фотон с частотой выше v = I/h = 3?10¹⁵ Гц (h = 6,626?10^-34 Дж•с — постоянная Планка), что соответствует ультрафиолетовой области спектра: ? = c/v = 100 нм.

Какая интенсивность излучения необходима для конденсации паров воды в облаке? Допустим, облако образовалось за счет охлаждения насыщенного водяными парами воздуха от 20°С (плотность насыщающих паров равна 0,017 кг/м³) до 10°С (плотность насыщающих паров равна 0,009 кг/м³). Тогда количество воды, сконденсировавшейся в капли тумана, составит (в расчете на 1 м³ объема) М = 0,017 - 0,009 = 0,008 кг/м³. Если предположить, что каждая капелька имеет диаметр 3 мкм (т.е. r = 1,5 ? 10^-6) и плотность ее составляет 1000 кг/м³, то масса капли равна m = 4?r³?/3, а число капель в 1 м³ облака n = М/m = 3М/4?r³? = 3 ? 0,008/4 ? 3,14 ? (1,5 ? 10^-6)³ ? 1000 = 5 ? 10¹¹.

Каждый фотон излучения, выбивающий электрон из капли, заставляет две капли сливаться в одну, уменьшая общее число капель на единицу. Таким образом, чтобы вызвать слияние всех капель, требуется n фотонов на 1 м³. Иначе говоря, для превращения в дождь C м³ облака в секунду, необходим поток излучения, равный Vn фотонов в секунду. Если энергия фотона равна I, а С принять равным 10⁵ м³/с, то требуемая мощность излучения составит

P = СnI = 10⁵ ? 5 ? 10¹¹ ? 2 ? 10^-18 = 0,1 Вт!

Даже с учетом низкой эффективности процесса мощности в несколько ватт заведомо достаточно для обработки огромного объема облака.

Какое количество осадков выпадет в результате воздействия лазера? Предположим, что мы направим плоский пучок излучения шириной 100 м на облако толщиной 100 м и будем перемещать его со скоростью 10 м/с. В таком случае за 1 с луч вызывает конденсацию паров в объеме облака, равном С=10⁵ м³/с (что как раз совпадает с допущением, сделанным выше), и искусственный дождь выпадает, допустим, на площади А = 100 ? 1 = 100 м². Секундный объем осадков равен V= CM/?, что соответствует слою толщиной x = V/A = CM/?A = 10⁵ ? 0,008/(1000 ? 100) = 0,008 м/с = 288 см/ч.

[Для сравнения укажем, что на широте Москвы ежегодно выпадает осадков примерно 60 см в год. — Перев.]

Нетрудно видеть, что подобный искусственный дождь как нельзя лучше подходит для заполнения водой прудов, каналов и т. д. А обеспечив высокую прицельность искусственного дождя, мы значительно облегчим работу пожарных.