من قلب العاصفة.. هذا ما يُشعل شرارة البرق الأولى داخل السحب

كريترنيوز/ متابعات /السيد محمود المتولي

كشف فريق بحثي بقيادة جامعة ولاية بنسلفانيا اللغزَ القديم حول كيفية نشوء البرق داخل السحب الرعدية. تُقدم نتائجهم أول تفسير كمي قائم على الفيزياء لنشوء البرق، وتُلقي نظرةً خاطفةً على قلب الغلاف الجوي العاصف للأرض.
ما الذي يسبب البرق؟
على الرغم من أن العلماء قد فهموا منذ زمن طويل كيفية حدوث البرق، إلا أن الأحداث الجوية الدقيقة التي تُسببه داخل السحب الرعدية لا تزال لغزاً محيراً. قد يُحل هذا اللغز بفضل فريق من الباحثين بقيادة فيكتور باسكو، أستاذ الهندسة الكهربائية في كلية الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب بجامعة ولاية بنسلفانيا، والذي كشف عن التفاعل المتسلسل القوي الذي يُسبب البرق.
في الدراسة التي نشرت في 28 يوليو في مجلة الأبحاث الجيوفيزيائية، وصف المؤلفون كيف توصلوا إلى أن المجالات الكهربائية القوية في السحب الرعدية تعمل على تسريع الإلكترونات التي تصطدم بجزيئات مثل النيتروجين والأكسجين، مما ينتج عنه الأشعة السينية ويبدأ طوفاناً من الإلكترونات الإضافية والفوتونات عالية الطاقة – العاصفة المثالية التي تولد منها الصواعق.
قال باسكو: “تُقدم نتائجنا أول تفسير كمي دقيق لكيفية نشوء البرق في الطبيعة، فهي تربط بين الأشعة السينية والحقول الكهربائية وفيزياء الانهيارات الإلكترونية”.
استخدم الفريق النمذجة الرياضية لتأكيد وشرح الملاحظات الميدانية للظواهر الكهروضوئية في الغلاف الجوي للأرض، وهي عندما تتكاثر إلكترونات الطاقة النسبية، التي تُلقح بالأشعة الكونية الداخلة إلى الغلاف الجوي من الفضاء الخارجي، في المجالات الكهربائية للعواصف الرعدية، وتُصدر دفقات فوتونية قصيرة عالية الطاقة، تتكون هذه الظاهرة، المعروفة باسم وميض أشعة غاما الأرضية، من دفقات غير مرئية وطبيعية من الأشعة السينية، وما يصاحبها من انبعاثات راديوية.
قال باسكو: “بمحاكاة الظروف باستخدام نموذجنا الذي يحاكي الظروف المرصودة ميدانياً، قدّمنا شرحاً وافياً للأشعة السينية والانبعاثات الراديوية الموجودة داخل السحب الرعدية. وأوضحنا كيف تُنتج الإلكترونات، المُسرّعة بمجالات كهربائية قوية في السحب الرعدية، الأشعة السينية عند اصطدامها بجزيئات الهواء مثل النيتروجين والأكسجين، مُشكّلةً سيلًا من الإلكترونات التي تُنتج فوتونات عالية الطاقة تُسبّب البرق”.
وقد استخدم زيد برفيز، وهو طالب دكتوراه في الهندسة الكهربائية، هذا النموذج لمطابقة الملاحظات الميدانية ـ التي جمعتها مجموعات بحثية أخرى باستخدام أجهزة استشعار أرضية وأقمار صناعية وطائرات تجسس عالية الارتفاع ـ مع الظروف في السحب الرعدية المحاكاة.
قال بيرفيز: “شرحنا كيفية حدوث الأحداث الكهروضوئية، والظروف اللازمة في السحب الرعدية لبدء سيل الإلكترونات، وما الذي يسبب التنوع الكبير في الإشارات الراديوية التي نرصدها في السحب، كل ذلك قبل حدوث الصاعقة”. وأضاف: “لتأكيد شرحنا لبدء الصاعقة، قارنتُ نتائجنا بنماذج ودراسات رصد سابقة، بالإضافة إلى عملي على نوع من الصواعق يُسمى التفريغات بين السحب المدمجة، والتي تحدث عادةً في مناطق صغيرة وموضعية في السحب الرعدية”.
نُشر نموذج “تفريغ التغذية الراجعة الكهروضوئية”، الذي طوّره باسكو وزملاؤه عام 2023، ويُحاكي الظروف الفيزيائية التي يُحتمل أن تنشأ فيها صاعقة برق. المعادلات المستخدمة في إنشاء النموذج متاحة في الورقة البحثية ليستخدمها باحثون آخرون في أعمالهم.
وبالإضافة إلى الكشف عن بداية البرق، أوضح الباحثون لماذا يتم إنتاج ومضات أشعة جاما الأرضية في كثير من الأحيان دون ومضات الضوء والانفجارات الراديوية، والتي هي توقيعات مألوفة للبرق أثناء الطقس العاصف، في نموذجنا، تُولّد الأشعة السينية عالية الطاقة الناتجة عن الانهيارات الإلكترونية النسبية إلكترونات بذرة جديدة مدفوعة بالتأثير الكهروضوئي في الهواء، مما يُضخّم هذه الانهيارات بسرعة، كما قال باسكو. وتابع: “بالإضافة إلى إنتاجها بأحجام صغيرة جداً، يمكن أن يحدث هذا التفاعل المتسلسل الجامح بقوة متفاوتة للغاية، مما يؤدي غالباً إلى مستويات قابلة للرصد من الأشعة السينية، مصحوباً بانبعاثات بصرية وإشعاعية ضعيفة جداً. وهذا يُفسر ظهور ومضات أشعة غاما هذه من مناطق مصدر تبدو خافتة بصرياً وهادئة إشعاعياً”.