الجميع يختفي عن الأنظار عند رؤية البرق خوفًا من جبروته، الذي على الرغم من تردده الدائم- حوالي 8.6 مليون ضربة صاعقة تحدث في جميع أنحاء العالم كل يوم-ظل سبب استمراره في إرسال سلسلة من القفزات المتعرجة من السحب الرعدية إلى الأرض لغزًا أغلبنا متشوق لحله.

هناك عدد من الكتب المدرسية عن البرق حتى، لكن لم يوضح أي منها كيف تتشكل هذه “المتعرجات”، وكيف يمكن أن ينتقل البرق عبر الكيلومترات في الغلاف الجوي.

 يقدم هذا البحث الجديد تفسيرًا.

 تثير القوة الكهربائية الشديدة المتواجدة في السحب الرعدية الإلكترونات- الجسيم الناقل الأساسي للكهرباء- للحصول على طاقة كافية لتكوين ما يعرف باسم “ذرات الأكسجين المنفرد في الحالة دلتا”.

تتراكم هذه الذرات والإلكترونات لتخلق تعرج قصير عالِ التوصيل الكهربائي، تضيء بشكل قوي وقصير جدًا لمدة جزء من المليون من الثانية. في نهاية التعرج، هناك توقف مؤقت (خط مستقيم) حيث يحدث التراكم مرة أخرى متبوعًا بتعرج أخرى ساطعة وامضة، وهكذا تتكرر العملية مرارًا وتكرارًا.

 زيادة الظواهر الجوية المتطرفة تعني أن الحماية من الصواعق البرقية تزداد أهمية. لذلك، فمعرفة كيفية بدء صاعقة البرق يعني أنه يمكننا العمل على كيفية حماية المباني والطائرات والأشخاص بشكل أفضل.

أيضًا، في حين أن استخدام المواد المركبة الصديقة للبيئة في الطائرات تعمل على تحسين كفاءة الوقود، فإن هذه المواد تزيد من مخاطر أضرار صواعق البرق، لذلك نحتاج إلى النظر في تعزيز الحماية.

ما الذي يؤدي إلى صواعق البرق؟

تحدث ضربات الصواعق عندما تكون سحابة رعدية ذات جهد كهربائي بملايين الفولتات متصلة بالأرض، فيتدفق تيار آلاف الأمبيرات من الشحنات الكهربائية بين الأرض والسماء بدرجة حرارة قد تصل إلى عشرات الآلاف.

 كشفت صور البرق عن مجموعة من التفاصيل التي لا يمكن ملاحظتها بالعين المجردة. يكون هناك عادةً أربعة أو خمسة “متسابقات” من الشحنات الكهربائية المضيئة، قادمة من السحاب متفرعة ومتعرجة على مسار غير منتظم متوجه نحو الأرض، وأول من تصل الأرض من هؤلاء المتسابقات تبادر بإطلاق ضربات البرق، وتخمد نشاط البقية.

قبل خمسين عامًا، كشف تصوير عالِ السرعة عن تعقيد أكبر. تتقدم المتسابقات نزولًا من السحابة في “تعرجات” يبلغ طولها حوالي 50 مترًا (164 قدمًا).  يضئ كل تعرج لمدة جزء من المليون من الثانية، ولكن بعد ذلك يكاد يكون هناك ظلام دامس. بعد 50 جزء من المليون فقط من الثانية يتشكل تعرج أخرى في نهاية التعرج السابق، لكن التعرجات السابقة تظل مظلمة.

 لماذا توجد مثل هذه التعرجات؟ وماذا يحدث في الفترات المظلمة بينها؟ كيف يمكن توصيل التعرجات كهربائيًا بالسحابة دون اتصال مرئي؟

تكمن إجابات هذه الأسئلة في فهم ما يحدث عندما يصطدم إلكترون نشط بذرة الأكسجين.

 إذا كان للإلكترون طاقة كافية، فإنه يثير الذرة وذلك بالتركيز على إضعاف مستوى طاقتها، لتصبح حالة-شبه مستقرة- أو ما يسمى حالة الدلتا المنفردة. يجب الانتظار مدة 45 دقيقة بعدها أو نحو ذلك  لتستقر تمامًا وتضعف طاقتها نهائيًا.

يفصل الأكسجين في حالة الدلتا المنفردة هذه الإلكترونات عن أيونات الأكسجين السالبة. ثم تُستبل هذه الأيونات فورًا تقريبًا بالإلكترونات التي ترتبط بسرعة فائقة مرة أخرى بجزيئات الأكسجين.

 عندما يكون أكثر من 1% من الأكسجين الموجود في الهواء في حالة الاستقرار، يمكن للهواء توصيل الكهرباء.

 لذلك تحدث تعرجات البرق حيث يتم إنشاء عدد كافٍ من الحالات المستقرة لفصل عدد كبير من الإلكترونات. في الجزء المظلم من التعرج، تزداد كثافة الحالات المستقرة والإلكترونات.

بعد 50 جزء من المليون من الثانية، يمكن لهذا التعرج أن توصل الكهرباء – ويزداد الجهد الكهربائي عند طرف التعرج إلى ما يقرب من تلك الموجودة في السحابة، وينتج تعرج آخر.

 تشكل الذرات المثارة الناشئة من التعرجات السابقة عمودًا متجهًا كليًا إلى السحابة. ثم يتم توصيله بأكمله كهربائيًا، دون الحاجة إلى مجال كهربائي أو حتى انبعاث ضئيل للضوء.

حماية الناس والممتلكات

يعد فهم تكوين البرق مهمًا لتصميم نظام الحماية للمباني والطائرات وأيضًا الأشخاص.

 عندما يضرب البرق شجرة ما، فإن العصارة داخل الشجرة تغلي ويولد البخار الناتج ضغطًا، مما يؤدي إلى فتح الجذع. وبالمثل، عندما يضرب البرق زاوية أحد المباني، تتسرب مياه الأمطار إلى البثور الخرسانية، فيؤدي الضغط إلى انفجار زاوية المبنى كاملةً، مما يؤدي إلى خطر الإنهيارات القاتلة.

 اخترع بنجامين فرانكلين مانعة الصواعق عام 1752 وهي عبارة عن سلك سياج سميك متصل بأعلى مبنى متصل بالأرض. مصمم لإمتصاص الشحنات الكهربائية الناتجة من البرق. من خلال توجيه التدفق عبر الأسلاك، فإنه يحفظ المبنى من التلف. مانعة الصواعق تلك ضرورية للمباني الشاهقة اليوم، ولكن العامل غير المؤكد هو عدد العناصر المطلوبة في كل مبنى.

المصدر: https://www.sciencealert.com

ترجمة: منة إدريسي

لينكد إن: mina-idris

 مراجعة وتدقيق: زينب محمد