Популярно о науке

Previous Entry Share Next Entry
Лазерная указка.
ahiin


Если все люди на Земле направят лазерные указки на Луну, изменится ли ее цвет?

 —Peter Lipowicz


Нет, если пользоваться обычными лазерными указками.

В первую очередь, нужно заметить, что Луна не может быть видна всем людям одновременно. Можно было бы собрать человечество в одном месте, но что из этого выйдет мы уже выяснили несколько недель назад. Вместо этого, давайте выберем время, когда Луна видна наибольшему количеству людей. Так как 75% человечества живет между 0° в.д.и 120° в.д., нам стоит проводить эксперимент когда Луна находится где-то над Аравийским морем.

Можно поробовать осветить луну как в новолуние, так и в полной фазе. Во время новолуния Луна темная, поэтому лазеры будут заметнее. Однако, в новолуние наш спутник - сложная цель, видимая по большей части лишь днем, что полнустью нивелирует эффект.

Если отставить в сторону яркость, наилучшим временем для наблюдения будет, вероятно, 27 декабря 2012, 23:00 московского времени, когда полная Луна будет видна высоко в небе над Мумбаи и Исламабадом. В этот момент Луна будет видна примерно 5 миллиардам людей, большей частью из Азии, Европы и Африки. Это приблизительно равно максимальному числу людей, которые вообще могли бы наблюдать Луну одновременно, за всю историю человечества.

Тем не менее, давайте возьмем луну в четверти, тогда мы сможем наблюдать эффект на темной половине в сравнении со светлой. Дабы не поощрять всякую майянскую чушь, мы пренебрежем Луной в первой четверти, которая будет налюдаться 21 декабря [согласно многоуважаемому Дмитрию Беляеву aka maoist, правильная дата все же 23 декабря. Для интересующихся вопросом - здесь есть приличная статья на тему, написанная приличным ученым-майянистом]  и воспользуемя Луной в третьей четверти, 4 января 2013, в 4.30 ночи по московскому времени. В Азии уже будет день, но в Африке и Европе - еще глубокая ночь.

Вот наша цель:
the moon, half lit by light from the sun and half dark because the moon is in the way

Обычная лазерная указка имеет мощность около 5 милливатт, причем хорошие образцы имеют достаточно узкий луч, чтобы достать до Луны, хотя он и окажется рассеянным по значительной площади, когда доберется до ее поверхности. Атмосфера частично рассеет луч, частично поглотит, но большая часть света достигнет цели.

a dotted line shows that a laser pointer's beam would cover part of the moon's face
[Луч]


Предположим, что каждый участник эксперимента обладает достаточно твердой рукой, чтобы попасть в Луну, но при этом не более, т.е. свет лучей будет равномерно распределен по ее поверхности.

В 4.30 московского времени, все нажмут кнопку.

Получится следующее:

people aim laser pointers at the moon. there is no visible effect.
[Версия эксперимента: 5 милливаттные лазерные указки.]
[target = мишень, effect = результат]

Хм, не вдохновляет.

Тем не менее, это логично. Солнечный свет омывает Луну потоком энергии с мощностью более киловатта на квадратный метр.Так как Луна в сечении имеет примерно 10^13 квадратных метров, общая мощность солнечного света получается около 10^16 ватт: 10 петаватт, или 2 мегаватта на человека, что на много порядков больше 5 милливатной лазерной указки. Конечно, в данном уравнении есть различные пременные коэффициенты, но на основное соотношение они влияют мало.

a man in a hat suggests trying more power.
[А что, если мы попробуем увеличить мощность?]

5 миливатт - это ерунда. Мы способны на большеe.

Одноваттный лазер -  очень опасная штука. Ему не только хватит мощности, чтобы ослепить вас, но и оставить ожоги на коже, а также поджечь легковоспламеняющиеся предметы. Очевидно, в США не существует легальных путей приобрести его.

Шучу конечно! Можете купить себе, по 300$ за штуку.


Предположим, что мы потратили 2 триллиона долларов, чтобы купить каждому по одноваттному зеленому лазеру. (Замечание для кандидатов в президенты: подобные действия не завоюют мой голос.) Зеленый лазер не только более мощный, но и имеет длину волны ближе к середине видимого спектра - зоне наибольшей чувствительности наших глаз, т.е. такой лазер будет казаться ярче.

Вот результат:

people aim more powerful laser pointers at the moon. there is no visible effect.

[Версия эксперимента: 1-ваттные зеленые лазеры.]

Черт.

Используемые нами лазеры выдают световой поток приблизительно в 150 люменов (больше, чем выдают большинство фотографических вспышек) в виде луча шириной в 5 угловых минут. На Луне это даст нам освещенность порядка половины люкса, Для сранения, Солнце освещает Луну гораздо сильнее, выдавая около 130000 лк. (Даже если бы удалось идеально прицелиться, эта дало бы с полдюжины люксов, и притом лишь не  более чем на 10% лунной поверхности.)

Для сравнения, полная Луна дает на поверхности Земли освещенность около 1 лк, то есть наши лазеры будут не только не различимы с Земли, но и слабы настолько, что даже стоя на Луне мы бы отметили, что ландшафт освещен слабее, чем Земля в лунную ночь.

a man in a hat suggests trying more power.

Благодаря развитию литиевых батарей и светодиодных технологий за последние 10 лет, рынок высокомощных фотографических вспышек переживает взрывной рост. Но уже ясно, что они нам не помогут. Поэтому, давайте их пропустим и сразу выдадем всем по прожектору "Nightsun".

Возможно, название вам незнакомо, но вы, вероятно, видели его в действии [в кино уж точно]. Это прожетор, устанавливаемый на вертолетах полиции и береговой охраны США. [При желании, мысленно можете представить вместо него зенитный прожетор из фильмов про Великую отечественную, суть не изменится]. Такой прожектор дает световой поток в 50000 люмен. Этого достаточно, чтобы на нужном участке земли ночь превратилась в день.

Ширина луча - несколько градусов, так что нам понадобятся фокусирующие линзы, чтобы сузить луч до половины градуса, необходимого чтобы попасть в Луну.

Вот результат:

people aim Nightsuns at the moon. there might be a visible effect. it's hard to say.

[Версия эксперимента: прожекторы "Nightsun" (с фокусирующими линзами).]

Это нелегко заметить, но мы определенно продвинулись вперед! Наши лучи дают 20 лк освещенности, что в 2 раза больше, чем освещенность темной половины Луны! [лучи, отраженные поверхностью Земли, а также рассеянные в ее атмосфере, подсвечивают темную часть лунного диска, нередко делая ее видимой, это т.н. "пепельный свет" Луны] Тем не менее, разлядеть эффект сложно, и уж точно наши усилия никак не повлияли на освещенную половину.

a man in a hat suggests trying more power.

Давайте заменим полицейские прожектора на проекторы IMAX: 30 киловаттную пару ламп с водяным охлаждением и совместным световым потоком свыше миллиона люменов.
people aim IMAX projectors with lenses on them at the moon. there's little visible effect.

[Версия эксперимента: проекторы IMAX]

По-прежнему почти незаметно.

a man in a hat suggests trying more power.

На вершине отеля "Луксор" в Лас-Вегасе находится самый мощный прожектор на планете Земля [отель построен в виде гигантской пирамиды, так что именно, что на вершине, а не на крыше]. Давайте дадим такой каждому.

a battery of luxor hotels fires beams of light at the moon. the light is slightly visible on the dark side.

[Версия эксперимента: прожекторы "Луксор" (с фокусирующими линзами).]

О, и давайте еще добавим массив из линз, чтобы луч был полностью сфокусирован на Луне:

a battery of luxor hotels with lenses fires beams of light at the moon. the dark side is visibly illuminated.

[Версия эксперимента: прожекторы "Луксор" (с фокусирующими линзами).]

Наш свет теперь ясно различим, так что цели мы добились! Хорошая работа, друзья.

a man in a hat suggests trying more power.

Нуу...

Министерсвом обороны США разработан мегаваттный лазер, предназначенный для уничтожения вражеских баллистических ракет на активном участке полета.

Boeing YAL-1 был химическим кислородно-йодным лазером, смонтированном на Боинге 747. Он был инфракрасным, а значит - невидимым невооруженному глазу. Однако, мы можем представить лазер аналогичной мощности, но действующий в видимой части спектра. Выдадим каждому по штуке.


a fleet of aircraft fire megawatt lasers at the moon. the dark side is nearly as bright as the light side.

[Версия эксперимента: мегаваттные лазеры.]

Наконец-то, нам удалось добитья эффекта, сравнимого с яркостью солнечного света!
Одновременно, питание лазеров потребляет можность 5 петаватт, что превышает среднее мировое потребление электричества.

a man in a hat suggests trying more power.

Ладно, давайте смонтируем по мегаваттному лазеру на каждом квадратном метре Азии. Питание этого 50-триллионного массива лазеров исчерпает мировые запасы нефти примерно за 2 минуты, но в течение этих двух минут Луна будет выглядеть примерно так:

a field of megawatt lasers covering asia fires at the moon

[Версия эксперимента: мегаваттные лазеры (покрывающие Азию).]

Луна сияет как полуденное Солнце, к тому же по истечению этих двух минут лунный реголит раскалится так, что сам начнет светиться.

a man in a hat suggests trying more power.

Чтож, давайте шагнем еще дальше за рамки правдоподобия.

Самый мощный лазер на Земле размещается в National Ignition Facility - лаборатории по исследованию лазерных термоядерных реакций. Это ультрафиолетовый лазер с выходной мощностью 500 тераватт. Однако, он стреляет единичными импульсами длительностью в несколько наносекунд, а выделяемая за импульс энергия примерно эквивалентна четверти чашки бензина.

Представим, что каким-то образом нам удалось заставить работать такой лазер непрерывно, раздать каждому по штуке и направить их все на Луну. К сожалению, поток энергии, порождаемый лазерами превратит атмосферу Земли в плазму, которая моментально сожжет земную повехность и уничтожит все живое.

Давайте притворимся, что лазерные лучи могут пройти сквозь атмосферу, не взаимодействуя с ней.

Даже при таких условиях Земле все равно не поздоровится. Свет, отраженный от луны, окажется в 4 тысячи раз ярче полуденного Солнца. Интенсивности лунного света будет достаточно, чтобы испарить земные океаны мене чем за год.

Оставим Землю своей судьбе — что же будет происходить с Луной?

Лазеры сами по себе обеспечат световое давление, достаточное чтобы Луна приобрела ускорение порядка одной десятимиллионной g [9,8 м/с^2]. Это ускорение не будет сначала заметно, но с течением лет его окажется достаточно, чтобы выдавить Луну с орбиты вокруг Земли.

… это конечно, если бы давление света оказалось единственной учавствующей силой.

Сорока мегаджоулей энергии достаточно, чтобы испарить килограмм скалы [по ссылке - статья о лазерном бурении, отличная, но на английском]. Полагая, что средняя плотность лунных скал приблизительно равно 3 кг/литр, энергии, поставляемой лазерами, хватит для испарения каждую секунду слоя лунных пород толщиной 4 метра [на все лунном диске, прошу заметить!]

equation

В действительности, однако, лунные породы не будут испарятся так быстро, по причине, которая, внезапно, оказывается очень существенной.

Когда кусок скалы испаряется - он не исчезает в никуда. Поверхностные слои Луны превращаются в плазму и эта плазма начинает препятствовать прохождению лазерных лучей.

Наши лазеры продолжают вливать энергию в плазму, а плазма, в свою очередь - становится грячее и горячее. Ее частицы отталкиваются друг от друга, ударяются о поверхность Луны и в конце концов уносятся в пространство с огромными скоростями.

Такой поток вещества  превращяет всю поверхность Луны в реактивный двигатель, причем неожиданно эффективный. Использование лазеров для выжигания поверхностного материала называется лазерной абляцией, и оказывается, что это перспективный метод приведения космических аппаратов в движение. [По ссылке - совершенно гурманская статья, написанная, кстати, с участием наших соотечественников. Кстати, я, ничтожный математик, чуть ли не впервые вижу статью с таким адским количеством соавторов.]

Луна велика, однако, медленно, но верно реактивный двигатель на каменной плазме оттолкнет ее от Земли. (Этот двигатель также вычистит поверхность Земли и уничтожит лазеры, но мы в данный момент делаем вид, что они неуязвимы. Одновременно плазма будет разрушать и лунную поверхность, но этот процесс довольно-таки непросто смоделировать.

Если взять с потолка, что истечение частиц плазмы происходит со средней скоростью 500 километров в секунду, то потребуется лишь несколько месяцев для того, чтобы вытолкнуть Луну за границу зоны, простреливаемой нашими лазерами. При этом, большая часть лунной массы сохранится и выйдет на околосолнечную орбиту, причем за пределами плоскости эклиптики.

Технически, Луна не станет новой планетой согасно определению, данному Международным астрономическим союзом. Так как ее орбита будет пересекаеь земную, ее будет нужно классифицировать как карликовую планету, такую как Плутон [напомню, что в 2006 году Плутон был лишен статуса планеты]. Подобная орбита, пересекающая земную, приведет к периодическим и непоредсказуемым гравитационным возмущениям. В конечном итоге, Луна либо катапультируется на Солнце, ибо будет выброшена из Солнечно системы, либо врежется в какую-либо из планет — весьм вероятно, что в нашу. Полагаю, нужно согласиться, что мы это вполне заслужили.

Табличка результатов:

everyone fires 500-terawatt lasers at the moon. the moon leaves.
[Версия эксперимента: 500-тераваттные лазеры.]

В этот раз, наконец, мощности достаточно.

Источник.


PS. По просьбам трудящихся, добавил экспериментальных кнопок.

  • 1
а кнопочку надо такую к этим постам, которая вконтакт пост транспортирует.

Спасибо :)

Ну ежели надо, попробую приделать:)

Действительно, гурманская статья :)))

Пользователь aqva сослался на вашу запись в записи «Делюсь.» в контексте: [...] все нажмут кнопку. Читать дальше: Originally posted by  at Лазерная указка. [...]

спасибо ,доставило...
даже ссыль на маленький лазер есть

Давно и малоуспешно борюсь с соблазном таки купить.

  • 1
?

Log in

No account? Create an account