فيزياء

الصاعقة الآتية من لامكان: البرق لا يتشكل مثلما كنا نظن

بقلم: شانون هول
ترجمة: روان دشتي

على الرغم من حدوثه نحو 100 مرة في الثانية في بقعة ما على الأرض، لكننا لا نعرف كيفية تشكله أو سبب حدوثه. لكن النظر إلى قلب العواصف الرعدية بدأ يكشف أسرار البرق

لم يكن جوزيف دوير Joseph Dwyer من هواة الطيران أبدا. لكن على الرغم من ذلك فإن الأمور أخذت منعطفا مهما للأسوأ عندما دخلت طائرته بطريق الخطأ نحو عاصفة رعدية. “كنت واثقا من أننا جميعا كنا على وشك الموت,” حسب قوله.
لكن ذلك جزء من طبيعة العمل. فعندما بدأ دوير -عالم متخصص في البرق من جامعة نيوهامبشير University of New Hampshire- بدراسة ستأخذه قريبا من حافة السحب الرعدية في طائرة من طراز غلف ستريم 5.V، كان يدرك أن ذلك يعني الاقتراب من موضوع البحث وتحوله إلى أمر شخصي.

سارت أول رحلتين بشكل سلس بل وممتع أحيانا. بعدها صعد دوير وزملاؤه في رحلة أخرى. “دخلنا داخل سحابة ولم أتمكن من رؤية أي شيء. بعدها انصبت الأهوال،” كما يقول دوير. ف بدأت الطائرة بالإهتزاز يمنة ويسرة قبل أن تهوي لعدة آلاف من الأقدام. “فقدت كل إحساس بما هو صعود أو هبوط تماما، لذلك بدا الأمر بالنسبة إلي وكأننا نتقلب كبرميل يهوي إلى الأرض.”

لكن، لحسن الحظ هبطوا بأمان. لكنهم واجهوا إحدى المشكلات الرئيسية عند دراسة الصواعق – إلقاء على نظرة خاطفة على حاضنات العواصف حيث تنشأ، قد لا يكون أمرا صعبا فقط، قد يكون خطرا أيضا. لهذا السبب فنحن نعرف القليل نسبيا حول كيفية تشكل البرق. هذه حقيقة تثير الدهشة نظرا لشيوع هذه الظاهرة -إذ يلمع ما يقارب 100 ومضة برق في كل ثانية في الأنحاء المتفرقة من العالم. لكن العلماء مثل دوير يسلطون -ببطء- الضوء على العمليات الكهربائية المسؤولة عن هذا المنظر المدهش. وما يجدونه يجعلنا ندرك أننا كنا نفهم الأمر فهما خاطئا تماما طوال ذلك الوقت.

ودوير يتبع خطا طويلا من الفيزيائيين الذين حاولوا فهم هذه الانفجارات الغامضة للشحنة الكهربائية. وكان بنجامين فرانكلين Benjamin Franklin أحد أوائل رواد هذا المجال. ففي عام 1752، كما يقال، علّق مفتاحا معدنيا في طائرة ورقية وحلقّت نحو عاصفة رعدية. وتطاير منها الشرر عندما لمسها في وقت لاحق -في مشهد يشبه إلى حد كبير الشرارة المتطايرة عند المشي عبر سجاد أشعث ومسك معدن مقبض الباب بعد ذلك. وكانت هذه الملاحظة كافية لجعله يعتقد أن البرق مجرد نسخة أكبر من الظاهرة نفسها. عندما تمشي على السجادة، فإن الاحتكاك بين قدميك والأرض يزيل الإلكترونات سالبة الشحنة من السجاد وتسري عبر جسمك وتعطيك شحنة سالبة بشكل عام. قد يبدو حجم هذا التراكم من الشحنات تافها، ولكن هذه الشحنات يمكنها أن تكوِّن مجالا كهربائيا قويا بشكل مدهش عبر مسافات قصيرة.
وعندما تتجه حافة إصبعك نحو مقبض الباب ذو الشحنة المحايدة، فإن المجال الكهربائي يزيد في القوة وصولا إلى المرحلة التي لا تعود فيها الإلكترونات الحرة في الهواء قادرة على مقاومته. وإذا وصلت قوة هذا المجال في بعض المناطق إلى القيمة الحرجة 3 ملايين فولت/متر، المعروفة باسم مجال الانهيار Breakdown field، فإن الإلكترونات تبدأ في التسارع على طول خطوط المجال الكهربائي القوي. هذه الحركة تقرع الإلكترونات الأخرى المرتبطة بقوى جذب قليلة من ذرات قريبة من مكانها، مما يزيد من قوة المجال المحلي وقدرة الهواء على توصيل الشحنات. وهذا يخلق جسرا من الإلكترونات يمكنه الحفاظ على الشحنة الكهربائية من يدك إلى مقبض الباب، مما يؤدي إلى ذاك التفريغ الكهربائي الصاخب والمؤلم إلى حد ما.

الاحتكاك هو أيضا أساس الحقل الكهربائي المُضخَّم في العواصف الرعدية، على الرغم من أن أصل حدوثه مختلف جدا: ذرات البرد المتساقطة عبر مجموعة من بلورات الثلج (انظر: كيف يتشكل البرق). ينتزع الاحتكاك الإلكترونات من البلورات مما يبني شحنة موجبة في الجزء العلوي من السحابة حيث تتجمع البلورات، من قوة رياح السحابة. في الوقت نفسه فإن ذرات البرد سالبة الشحنة الآن، تواصل الوقوع في الجزء السفلي من السحابة. هذا الفصل في الشحنات يؤدي إلى إنشاء مجال الكهربائي بين أعلى وأسفل السحابة، تماما مثل تلك التي بينك وبين مقبض الباب.

ولكن عندما ينمو المجال الكهربائي في مكان ما داخل الرعد القوي بما يكفي ليسبب إنهيار الشحنة، فإن النتائج تكون أكثر إثارة من شرارة مقبض الباب. إذ تحفر الإلكترونات قنواتٍ أيونية عبر الهواء -كل قناة بعرض الإصبع الواحد- باحثة عن أقرب شحنة إيجابية. وخلال وميض البرق المألوف من السحابة إلى الأرض، فإن الشحنة السالبة تجد هذا المخرج على سطح الأرض. ولكن النوع الأكثر شيوعا من التفريغ الكهربائي للبرق يكون على شكل وميض داخل السحابة، حيث تتجه الشحنة السالبة إلى المنطقة الموجبة في الجزء العلوي من السحابة. وفي كلتا الحالتين، ففي اللحظة التي يصل فيها ما يسمى بقادة البرق Lightning leaders إلى منطقة من الشحنة المعاكسة، يتنفجر التيار الكهربائي بين النقطتين، مولّدا ومضات برق أكثر سخونة بخمسة أضعاف سطح الشمس.
هناك مشكلة واحدة فقط في هذا التصور: على الرغم من أننا نرسل المناطيد والطائرات وسط العواصف الرعدية المشحونة بالبرق منذ خمسينات من القرن الماضي، لكننا لم نرصد ذلك المجال الكهربائي بقوة 3 ملايين فولت/متر اللازم لانهيار الشحنة. بدلا من ذلك، يكون المجال الكهربائي عادة أضعف بعشرة مرات من ذلك الذي ننتجه أثنا مشينا على كومة كبيرة من السجاد.

وهذا يشير إلى أن البرق يعمل بطريقة مختلفة عن الشرارة الكهربائية التقليدية. وعلى الرغم من غرابة ذلك بعض الشيء لكن يبدو أن البديل الأكثر احتمالا هو أن البرق يحصل على دفعة تحفيزية من الفضاء الخارجي.
في كل ثانية، تتحطم بلايين الجسيمات عالية الطاقة في أجوائنا. في معظم الأحيان، تمر هذه الأشعة الكونية دون أن يلاحظها أحد، ولكن إذا تصادمت مع إلكترون حر في عاصفة رعدية، فإنها تعطيه زيادة في السرعة. هذا الإلكترون المُنشَّط حديثا يحوّل أعدادا كبيرة من جزيئات الهواء إلى أيونات، مما يؤدي إلى فيضان من الإلكترونات عالية الطاقة، الذي يؤدي بدوره إلى تراكم مفاجئ لشحنة كهربائية تُكثِّف قوةَ المجال الكهربائي ولو على نطاق صغير. على الرغم من أن التفاصيل لا تزال غامضة، فإن تأثير المُضاف لهذا المجال الكهربائي المحلي قد يكون كافيا لإشعال ومضة البرق في تأثير يعرف بـ “الإنهيار غير المتحكّم فيه” Runaway breakdown، من دون الحاجة إلى أن تكون شحنة المجال الكهربائي الأساسي قريبة من 3 ملايين فولت/متر أو حتى قريبة من هذا الرقم.
وجاء الدعم لهذه النظرية في عام 1991، بعد وقت قصير من إطلاق ناسا لمرصد كومبتون لأشعة غاما Compton Gamma Ray Observatory في المدار. وكانت مهمته البحث عن أشعة غاما، أقوى شكل من أشكال الإشعاع في الكون، وعادة ما تنشأ عندما تنفجر النجوم. لذلك كان الأمر مفاجئ عندما سجّل المرصد قدوم هذه الفوتونات عالية الطاقة من العواصف الرعدية في جو الأرض، وكذلك، من الأشياء القادمة من درب التبانة Milky Way.

وسرعان ما ربط الفيزيائيون بين النقاط. فعندما تتزايد سرعة الإلكترونات المتسارعة بفعل الأشعة الكونية في أجوائنا، فإنها لا تنتج الإلكترونات ذات الطاقة العالية فحسب، ولكن أيضا قدرا من الفوتونات عالية الطاقة. ولذلك كان الكشف عن أشعة غاما دليلا على وجود ظاهرة الانهيار غير المُتحكَّم فيه.

وعلى الرغم من الإثارة التي تحيط بهذا الارتباط، فقد يكون مجرد مصادفة: فليس لدينا أي دليل مباشر على أن هذه العملية هي ما يحدث فعلا. المشكلة هي أنه عندما يتعلق الأمر بما يحدث داخل العواصف الرعدية، فإننا في ظلام دامس نوعا ما. كبداية، ظاهرة البرق هي محلية ومحدودة تماما، كما يقول ستيفن كومر Steven Cummer من جامعة ديوك Duke University في دورهام بولاية نورث كارولينا. حتى في ولاية فلوريدا، عاصمة البرق في الولايات المتحدة، يضرب البرق كيلومترا مربعا واحدا ربما 10 مرات في السنة فقط. إضافة إلى ذلك، فإن انخفاض القدرة على التنبؤ بحدوث البرق وسرعته العالية يجعل التنبؤ بتكون الومضات صعبا جدا. “من ناحية المساحة، فأنت تمتلك صندوقا قد تكون مساحته بضع مئات الأمتار،” كما يقول كومر. ويتابع قائلا: “ومن ناحية الوقت، فلديك ربما ملّي ثانية واحدة.” ثم هناك حقيقة أن البرق يأتي بالعديد من الأوجه (انظر: شرارة الاعتراف).

والتحدي الآخر في تحديد المجالات الكهربائية داخل العواصف الرعدية وهو أن الأدوات مثل المناطيد أو الطائرات المستخدمة لاختراق الغيوم يحدث تغييرا جزئيا في بيئة سحابة العاصفة. المناطيد على سبيل المثال، غالبا ما يصيبها البرق، مما يخفض بشكل كبير المجال الكهربائي في أي مكان قريب منها. وهذا يثير تساؤلات حول الكثير من بيانات المجالات الكهربائية التي جُمعت بين السحب خلال العقود القليلة الماضية.

حتى إذا أردنا رؤية ما يجري في القلب الأسود العاتي للعاصفة الرعدية، فنحن بحاجة إلى العثور على طرق لمتابعة المجريات عن بعد. لكن لحسن الحظ، هناك طريقة. فالمجالات الكهربائية المتقلبة نتيجة البرق مسؤولة أيضا عن إنبعاث كميات كبيرة من موجات الضوضاء الراديوية، مما يسبب خرخشة مماثلة للتي تسمع على أجهزة الراديو قديمة الطراز. وفي منتصف تسعينات القرن العشرين، أدرك الفيزيائي وليام رايسون William Rison من معهد نيو مكسيكو للتكنولوجيا New Mexico Tech وزملاؤه أنه يمكنهم استخدام أجهزة تحديد المواقع العالمية GPS لتحديد تلك الضوضاء الراديوية بدقة، ومن ثم ومضات البرق. اليوم. تمتد مصفوفة رايسون لرسم خرائط البرق Rison’s Lightning Mapping Array عبر 16 محطة في جبال ماغدالينا القريبة من وسط نيو مكسيكو. هذه الطريقة تمكن من التقاط صور ثلاثية الأبعاد لومضات البرق داخل العاصفة الرعدية، ولكن هناك قصور واحد: إن مَيْز Resolution التوقيت ليس جيدا.

يعمل ريسون وفريقه على تحسين ذلك. ففي العام الماضي، طوّروا مقياس تداخل Interferometer للكشف عن موجات الراديو، وزوّدوه بكاميرا عالية السرعة قادرة على التقاط ومضات البرق بأكثر من 180 مليون لقطة في الثانية. هذا الجهاز يعمل جنبا إلى جنب مع مصفوفة رسم خرائط البرق، ويصحب التصوير بالفيديو خريطة كاملة ثلاثية الأبعاد توفّر أفضل صور عالية الدقة متوفرة حتى الآن لومضات البرق أثناء تكونها وحدوثها.
عندما ذهب الباحثون إلى الميدان لاختبار مقياس التداخل، كانوا يأملون بالحصول على صور مفصلة للانهيار غير المُتحكّم فيه. غير أن النتائج لم تكن ما توقعوه قطّ. فبدلا من ذلك، بدا أن هناك آلية بديلة لحدوث البرق، فأي شرارة قوية تكون مخبأة عميقا داخل الغيوم يمكنها إثارة المجال الكهربائي دون الحاجة للمساعدة من الفضاء الخارجي.

فبدلا من البدء في المنطقة السالبة داخل السحابة وإتجاهها نحو منطقة موجبة قريبة، كما هو متوقع، حدث العكس تماما. يقول رايسون: “أمضينا أسابيع في النقاش فيما بيننا. هل هذا حقيقي؟ هل نفهم كيف تعمل آلاتنا؟ هل قمنا بتبديل علامات الشحنات في الآلة؟” ليس بالضبط. فما أدركه رايسون وفريقه أن التدفق المُتصوَّر للشحنة الموجبة جعل الإلكترونات تتسارع في الاتجاه المعاكس – مثل مظهر تراكم الرمال بعد انحسار المد.

الجاني، في رأيهم، قد يكون بلورة صغيرة من الثلج تقبع في مكان ما في السحابة، بشحنة سالبة على جانب وشحنة موجبة على الجهة أخرى. إذا نمت الشحنة الموجبة بما فيه الكفاية لتسحب الإلكترونات من الهواء أمامها، فإنه يمكنها تحويل جزيئات الهواء إلى أيونات، وإنشاء شحنة موجبة أخرى قريبة وراء البلورة. أُطلق على هذه الملاحظة الغريبة “الانهيار الموجب السريع” Fast positive breakdown. هذا البقعة الأيونية من الهواء تتصرف كما لو كانت طرفا جديدا للبلورة، وتتكرر العملية ما دام المجال الكهربائي قويا بما فيه الكفاية للحفاظ عليها. “ما تحصل عليه هو هذا الشريط الصغير المتأرجح من الهواء المتأين الذي يبدأ بالنمو عند نهاية بلورة الثلج،” كما يقول ديفيد سميث David Smith، الفيزيائي في جامعة كاليفورنيا University of California، سانتا كروز.
ويتابع قائلا: “كلما زادت الشحنة الموجبة لهذا الشريط Streamer، فإنها تعمل مثل مكنسة كهربائية تمتص الشحنة السالبة”. وترسل هذا الشحنة مرة أخرى نحو بلورة الثلج، مثل السباح الذي يدفع المياه وراءه. وعندما تتراكم شحنة كافية في بلورة الثلج، تتمكن الشرارة الرئيسية للبرق من الاشتعال مما يطلق سلسلة الشرارات المؤدية إلى البرق.

وقد لوحظت هذه الشريطة في الطبيعة من قبل -ولكن ليس كمقدمة للبرق. وعلى الرغم من أن فريق رايسون يعتقد أنها سبب الانهيار الموجب السريع الذي شاهدوه فإنه لا يمكنهم التأكد من ذلك على وجه اليقين.
فالحصول على صورة أوضح للفيزياء المجهرية المعنية يتطلب أدوات أكثر دقة من أجهزة الكشف بموجات الراديو المستخدمة حاليا. استخدم نينغيو ليو Ningyu Liu -هو زميل لدوير في جامعة نيو هامبشير- المحاكاة الرقمية لمحاولة حل هذه المسألة. وبالفعل، نجح في تكرار نشوء شريطة ذات شحنة موجبة تنبعث من بلورات الثلج، ولكن شريطة ذات 5 سم التي تمكّن من محاكاتها لم تلتقط الصورة الكاملة: فهذه القنوات تمتد في الطبيعة إلى 100 متر. بالنسبة إلى بعض الباحثين في هذا المجال، فإن الدليل على وجود الانهيار الموجب السريع هو خطوة حاسمة. فكما يقول دواير: “الأمر يشبه حل أحجية صور اللعب Puzzle. فبيانات مقياس التداخل تشبه الحافة أو الزاوية الأولى من الصورة والتي تمكنك من البدء بحل بقيتها.”

ولكن هذا لا يعني عدم حدوث الانهيار غير المُتحكّم فيه. فمقاييس قوة المجال الكهربائي في الخلفية داخل العواصف الرعدية تتطابق تماما مع القيم الدنيا المطلوبة لحدوثه، ويشكك العديد من العلماء في أن هذا مجرد مصادفة. ويعتقد سميث أن هذه الإلكترونات تعمل بمثابة ترموستات، إذ تقوم بتوليد شحنات صغيرة تضعف من قوة المجال الكهربائي كلما زادت قوته عن المطلوب. ويوافقه هذه النظرية كينيث إيك Kenneth Eack من معهد نيو مكسيكو للتكنولوجيا، إذ يقول: “الأمر أشبه بالتسرب البطيء في إطارات سيارتك. لا يمكنك أبدا تجاوز نقطة معينة لأنه إذا فعلت فهذا التسرب يزداد أيضا.” ولكن دوير لا يزال يعتقد أنه يؤدي دورا في تشكيل البرق، جنبا إلى جنب مع عدد آخر من العمليات. “ربما يكون الجواب الحقيقي معقدا،”، كما يقول. وكما هي الحال مع أي وصفة طعام، فالأمر قد يتطلب عدة مكونات. لذلك سيركّز دوير مرة أخرى على تلك الفوتونات عالية الطاقة. على الرغم من أن انبعاث موجات غاما من العواصف الرعدية ليس دليلا على أن الأشعة الكونية تسبب البرق، لكن دوير يجد فيها مجالا واعدا لأنها تميل إلى الحدوث بالضبط قبل بدء تشكل البرق. وسيزور كل من دوير وليو بزيارة فلوريدا كل صيف للسنوات الثلاث المقبلة، مسلحين بمنحة من المؤسسة الوطنية للعلوم National Science Foundation، ومناطيد طقس مجهزة بكاشف أشعة غاما، وكاميرات قوية.

وينبغي لهذا العمل المرتقب، إلى جانب ملاحظات المتابعة من جهاز رايسون، تقريب العلماء من أي وقت مضى من كشف الغموض. “أعتقد أن خلال السنوات العشرة المقبلة، سيكون الناس متيقنين من فهم كيفية حدوث البرق،” كما يقول مارتن أومان Martin Uman الفيزيائي في جامعة فلوريدا University of Florida، وإذا كان دوير محظوظا، سيتحقق هذا من دون الحاجة إلى الطيران في عاصفة رعدية مرة أخرى أبدا.

اظهر المزيد

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق