رعد وبرق. عندما يتعلق الأمر بقوى الطبيعة ، فإن القليل من الأشياء الأخرى قد ألهمت الكثير من الخوف أو التبجيل أو الانبهار - ناهيك عن الأساطير والأساطير والتمثيلات الدينية. كما هو الحال مع كل الأشياء في العالم الطبيعي ، فإن ما كان يُنظر إليه في الأصل على أنه فعل من قبل الآلهة (أو غيره من الأسباب الخارقة للطبيعة) أصبح يُعرف منذ ذلك الحين على أنه ظاهرة طبيعية.
ولكن على الرغم من كل ما تعلمه البشر على مر القرون ، لا تزال هناك درجة من الغموض عندما يتعلق الأمر بالبرق. أجريت التجارب منذ عهد بنجامين فرانكلين. ومع ذلك ، ما زلنا نعتمد بشدة على نظريات حول كيفية تصرف الإضاءة.
وصف:
بحكم التعريف ، البرق هو تفريغ مفاجئ للكهرباء الساكنة أثناء عاصفة كهربائية. يسمح هذا التفريغ للمناطق المشحونة في الغلاف الجوي بالتعادل مؤقتًا ، عندما تصطدم بجسم ما على الأرض. على الرغم من أن البرق يكون مصحوبًا دائمًا بصوت الرعد ، إلا أنه يمكن رؤية البرق البعيد ولكنه بعيد جدًا بحيث لا يمكن سماع الرعد.
الأنواع:
يمكن أن يتخذ البرق أحد الأشكال الثلاثة ، والتي يتم تحديدها من خلال ما يوجد في 'نهاية' قناة الفرع (أي صاعقة البرق). على سبيل المثال ، توجد إضاءة داخل السحابة (IC) ، والتي تحدث بين المناطق المشحونة كهربائيًا في السحابة ؛ الإضاءة من السحابة إلى السحابة (CC) ، حيث تحدث بين سحابة رعدية وظيفية وأخرى ؛ والبرق من السحابة إلى الأرض (CG) ، والذي ينشأ أساسًا في السحب الرعدية وينتهي على سطح الأرض (ولكن قد يحدث أيضًا في الاتجاه العكسي).
مسارات متعددة من البرق من السحابة إلى السحابة ، سويفت كريك ، أستراليا. Credit: fir0002 / flagstaffotos.com.au
يحدث البرق داخل السحب بشكل شائع بين الجزء العلوي (أو 'السندان') والروافد السفلية لعاصفة رعدية معينة. في مثل هذه الحالات ، قد يرى المراقب وميضًا من الضوء فقط دون سماع أي رعد. غالبًا ما يتم تطبيق مصطلح 'البرق الحراري' هنا ، نظرًا للارتباط بين الدفء الملموس محليًا ومضات البرق البعيدة.
في حالة البرق من السحابة إلى السحابة ، تنشأ الشحنة عادةً من أسفل أو داخل السندان وتندفع عبر طبقات السحابة العلوية لعاصفة رعدية ، مما يؤدي عادةً إلى توليد صاعقة برق ذات فروع متعددة.
تعد السحابة إلى الأرض (CG) أفضل أنواع البرق المعروفة ، على الرغم من أنها ثالث أكثر أنواع البرق شيوعًا - حيث تمثل حوالي 25٪ من الحالات في جميع أنحاء العالم. في هذه الحالة ، يتخذ البرق شكل تفريغ بين السحب الرعدية والأرض ، وعادة ما يكون سالبًا في القطبية ويبدأ بواسطة فرع متدرج يتحرك لأسفل من السحابة.
يُعد CG lightning الأكثر شهرة لأنه ، على عكس الأشكال الأخرى من البرق ، ينتهي على جسم مادي (غالبًا الأرض) ، وبالتالي يفسح المجال للقياس بواسطة الأدوات. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يشكل أكبر تهديد للحياة والممتلكات ، لذلك يُنظر إلى فهم سلوكه على أنه ضرورة.
تواتر ضربات البرق في جميع أنحاء العالم ، بناءً على بيانات من وكالة ناسا. الائتمان: ويكيبيديا / Citynoise
الخصائص:
تنشأ الإضاءة عندما تحدث عمليات تحديث وتدفقات الرياح في الغلاف الجوي ، مما يؤدي إلى إنشاء آلية شحن تفصل الشحنات الكهربائية في السحب - تاركة الشحنات السالبة في الأسفل والشحنات الموجبة في الأعلى. مع استمرار نمو الشحن في الجزء السفلي من السحابة ، يزداد أيضًا فرق الجهد بين السحابة والأرض ، المشحونة إيجابًا.
عندما ينتج عن انهيار في الجزء السفلي من السحابة جيبًا من الشحنة الموجبة ، تتشكل قناة تفريغ إلكتروستاتيكي وتبدأ في الانتقال إلى الأسفل بخطوات يبلغ طولها عشرات الأمتار. في حالة البرق IC أو CC ، يتم سحب هذه القناة إلى جيوب أخرى من مناطق الشحنات الموجبة. في حالة ضربات CG ، ينجذب القائد المتدرج إلى الأرض الموجبة الشحنة.
تؤثر العديد من العوامل على التردد والتوزيع والقوة والخصائص الفيزيائية لميض البرق 'النموذجي' في منطقة معينة من العالم. وتشمل هذه ارتفاع الأرض ، وخط العرض ، وتيارات الرياح السائدة ، والرطوبة النسبية ، والقرب من المسطحات المائية الدافئة والباردة ، وما إلى ذلك إلى حد ما ، قد تختلف النسبة بين البرق IC و CC و CG أيضًا حسب الموسم في خطوط العرض الوسطى.
يحدث حوالي 70٪ من البرق فوق اليابسة في المناطق المدارية حيث يكون الحمل الحراري في الغلاف الجوي هو الأكبر. يحدث هذا من مزيج من كتل الهواء الأكثر دفئًا وبرودة ، بالإضافة إلى الاختلافات في تركيزات الرطوبة ، ويحدث بشكل عام عند الحدود بينهما. في المناطق المدارية ، حيث يكون مستوى التجمد أعلى بشكل عام في الغلاف الجوي ، فإن 10٪ فقط من ومضات البرق هي CG. عند خط عرض النرويج (حوالي 60 درجة شمالًا) ، حيث يكون ارتفاع التجمد أقل ، فإن 50٪ من البرق هو CG.
سلسلة من ضربات البرق صورتها كاميرا Nightpod على متن محطة الفضاء الدولية فوق روما في عام 2012. Credit: ESA / NASA / André Kuipers
تأثيرات:
بشكل عام ، البرق له ثلاثة تأثيرات قابلة للقياس على البيئة المحيطة. أولاً ، هناك التأثير المباشر لضربة الصواعق نفسها ، والتي قد ينتج عنها ضرر هيكلي أو حتى ضرر جسدي. عندما تضرب الإضاءة شجرة ، فإنها تبخر النسغ ، مما قد يؤدي إلى انفجار الجذع أو تقطيع الأغصان الكبيرة والسقوط على الأرض.
عندما يضرب البرق الرمال ، قد تذوب التربة المحيطة بقناة البلازما ، وتشكل هياكل أنبوبية تسمى fulgurites. قد تتضرر المباني أو الهياكل الشاهقة التي تضربها الصواعق لأن البرق يبحث عن مسارات غير مقصودة على الأرض. وعلى الرغم من بقاء ما يقرب من 90٪ من الأشخاص الذين يصابون بالصواعق على قيد الحياة ، فإن البشر أو الحيوانات التي تضربهم الصواعق قد يعانون من إصابات خطيرة بسبب تلف الأعضاء الداخلية والجهاز العصبي.
الرعد هو أيضًا نتيجة مباشرة لتفريغ الشحنات الكهروستاتيكية. نظرًا لأن قناة البلازما تسخن الهواء في جوارها المباشر ، فإن الجزيئات الغازية تخضع لزيادة سريعة في الضغط وبالتالي تتوسع للخارج من البرق مما يؤدي إلى موجة صدمة مسموعة (ويعرف أيضًا باسم الرعد). نظرًا لأن الموجات الصوتية لا تنتشر من مصدر واحد ، ولكن على طول مسار البرق ، يمكن أن تولد مسافات الأصل المتغيرة تأثيرًا متدحرجًا أو صاخبًا.
ينتج الإشعاع عالي الطاقة أيضًا عن صاعقة البرق. وتشمل هذه الأشعة السينية وأشعة جاما ، والتي تم تأكيدها من خلال الملاحظات باستخدام كاشفات المجال الكهربائي والأشعة السينية ، والتلسكوبات الفضائية.
يتكون فولجريت في رقعة رملية نتيجة لضربة برق. الائتمان: blogs.discovermagazine.com
دراسات:
أجرى بنجامين فرانكلين أول دراسة منهجية وعلمية عن البرق خلال النصف الثاني من القرن الثامن عشر. قبل ذلك ، اكتشف العلماء كيف يمكن فصل الكهرباء إلى شحنات موجبة وسالبة وتخزينها. كما لاحظوا وجود صلة بين الشرر الناتج في المختبر والبرق.
وضع فرانكلين نظرية مفادها أن السحب مشحونة كهربائيًا ، مما أدى إلى أن البرق نفسه كان كهربائيًا. في البداية ، اقترح اختبار هذه النظرية عن طريق وضع قضيب حديدي بجوار سلك مؤرض ، والذي سيتم تثبيته في مكان قريب بواسطة شمعة شمعية معزولة. إذا كانت الغيوم مشحونة كهربائيًا كما توقع ، فإن الشرارات ستقفز بين القضيب الحديدي والسلك الأرضي.
في عام 1750 ، نشر مقترحًا يتم بموجبه تحليق طائرة ورقية في عاصفة لجذب البرق. في عام 1752 ، أجرى توماس فرانسوا ديليبارد التجربة بنجاح في فرنسا ، لكنه استخدم قضيبًا حديديًا بطول 12 مترًا (40 قدمًا) بدلاً من طائرة ورقية لتوليد شرارات. بحلول صيف 1752 ، يُعتقد أن فرانكلين أجرى التجربة بنفسه خلال عاصفة كبيرة هبت على فيلادلفيا.
بالنسبة لنسخته المطورة من التجربة ، هاجم فرانكينغ مفتاحًا للطائرة الورقية ، والذي تم توصيله عبر خيط رطب بشريط حرير عازل ملفوف حول مفاصل يد فرانكلين. في غضون ذلك ، قدم جسد فرانكلين المسار الموصّل للتيارات الكهربائية إلى الأرض. بالإضافة إلى إظهار أن العواصف الرعدية تحتوي على الكهرباء ، كان فرانكلين قادرًا على استنتاج أن الجزء السفلي من العاصفة الرعدية كان سالبًا بشكل عام أيضًا.
عرض فني لتجربة فرانكلين بالطائرة الورقية رسمها بنجامين ويست. الائتمان: المجال العام
تم إحراز تقدم طفيف في فهم خصائص البرق حتى أواخر القرن التاسع عشر عندما أصبحت أدوات التصوير والطيف متاحة لأبحاث البرق. استخدم العديد من العلماء التصوير الفوتوغرافي المحسوم بالوقت خلال هذه الفترة لتحديد ضربات البرق الفردية التي تشكل تفريغ البرق على الأرض.
يرجع تاريخ أبحاث البرق في العصر الحديث إلى أعمال سى تى ر. ويلسون (1869 - 1959) الذي كان أول من استخدم قياسات المجال الكهربائي لتقدير هيكل شحنات العواصف الرعدية المتضمنة في تصريفات البرق. فاز ويلسون أيضًا بجائزة نوبل لاختراع غرفة السحاب ، وهو كاشف للجسيمات يستخدم لتمييز وجود الإشعاع المتأين.
بحلول الستينيات ، ازداد الاهتمام بفضل المنافسة الشديدة التي أحدثتها عصر الفضاء . مع إرسال المركبات الفضائية والأقمار الصناعية إلى المدار ، كانت هناك مخاوف من أن يشكل البرق تهديدًا لمركبات الفضاء والإلكترونيات الصلبة المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر والأجهزة الخاصة بهم. بالإضافة إلى ذلك ، تم تحسين قدرات القياس والرصد بفضل التحسينات في التقنيات الفضائية.
بالإضافة إلى الكشف عن الصواعق الأرضية ، تم إنشاء العديد من الأدوات على متن الأقمار الصناعية لمراقبة توزيع البرق. وتشمل هذه الكاشف البصري العابر (OTD) ، على متن القمر الصناعي OrbView-1 الذي تم إطلاقه في 3 أبريل 1995 ، ومستشعر تصوير البرق (LIS) اللاحق على متنه TRMM ، الذي تم إطلاقه في 28 نوفمبر 1997.
تم تصوير بركان كوليما (بركان دي كوليما) في 29 مارس 2015 مع البرق. الائتمان وحقوق النشر: سيزار كانتو.
البرق البركاني:
يمكن أن ينتج عن النشاط البركاني ظروف صديقة للصواعق بطرق متعددة. على سبيل المثال ، يؤدي الطرد القوي لكميات هائلة من المواد والغازات في الغلاف الجوي إلى تكوين عمود كثيف من الجسيمات عالية الشحنة ، مما يوفر الظروف المثالية للبرق. بالإضافة إلى ذلك ، فإن كثافة الرماد والحركة المستمرة داخل العمود تنتج باستمرار تأينًا إلكتروستاتيكيًا. ينتج عن هذا بدوره ومضات متكررة وقوية حيث يحاول العمود تحييد نفسه.
غالبًا ما يشار إلى هذا النوع من العواصف الرعدية باسم 'عاصفة رعدية قذرة' نظرًا لارتفاع محتوى المادة الصلبة (الرماد). كانت هناك عدة حالات مسجلة من البرق البركاني التي حدثت عبر التاريخ. على سبيل المثال ، أثناء ثوران بركان فيزوف عام 79 م ، لاحظ بليني الأصغر العديد من الومضات القوية والمتكررة التي تحدث حول العمود البركاني.
البرق خارج الأرض:
لوحظ البرق في أجواء الكواكب الأخرى في نظامنا الشمسي ، مثل كوكب الزهرة والمشتري وزحل. في حالة كوكب الزهرة ، فإن الدلائل الأولى على احتمال وجود البرق في الغلاف الجوي العلوي قد لوحظت من قبل بعثات فينيرا السوفيتية والبعثات الأمريكية الرائدة في السبعينيات والثمانينيات. نبضات الراديو التي سجلتها المركبة الفضائية Venus Express (في أبريل 2006) تم تأكيد أن مصدرها البرق على كوكب الزهرة.
مفهوم الفنان لعاصفة البرق. الائتمان: ناسا)
تمت ملاحظة الرعد الذي يشبه تلك الموجودة على الأرض كوكب المشتري . يُعتقد أنها ناتجة عن الحمل الحراري الرطب مع طبقة التروبوسفير في كوكب المشتري ، حيث تجلب أعمدة الحمل الهواء الرطب من الأعماق إلى الأجزاء العليا من الغلاف الجوي ، حيث يتكثف بعد ذلك في سحب يبلغ حجمها حوالي 1000 كيلومتر.
يتم تصوير نصف الكرة الليلي للمشتري بواسطة جوبيتر جاليليو في عام 1990 وبواسطة كاسيني كشفت مركبة فضائية في ديسمبر من عام 2000 أن العواصف ترتبط دائمًا بالبرق على كوكب المشتري. في حين أن الضربات الضوئية تكون في المتوسط أقوى بضع مرات من تلك الموجودة على الأرض ، إلا أنها تبدو أقل تواترًا. تم اكتشاف عدد قليل من الومضات في المناطق القطبية ، مما يجعل كوكب المشتري ثاني كوكب معروف بعد الأرض يُظهر البرق القطبي.
كما تم ملاحظة الإضاءة على كوكب زحل. المثال الأول حدث في عام 2010 عندماكاسينياكتشف المسبار الفضائي ومضات على الجانب الليلي من الكوكب ، والتي تزامنت مع اكتشاف تصريفات إلكتروستاتيكية قوية. في عام 2012 ، أظهرت الصور التي التقطتها مسبار كاسيني في عام 2011 كيف أن عاصفة شديدة التي غطت نصف الكرة الشمالي كانت تولد ومضات قوية من البرق.
كان يُعتقد أنه 'مطرقة الآلهة' ، أصبح البرق منذ ذلك الحين يُفهم على أنه ظاهرة طبيعية ، وظاهرة موجودة في عوالم أرضية أخرى وحتى عمالقة الغاز. بينما نتعلم المزيد حول كيفية تصرف الإضاءة هنا على الأرض ، يمكن أن تقطع هذه المعرفة شوطًا طويلاً في مساعدتنا على فهم أنظمة الطقس في عوالم أخرى أيضًا.
لقد كتبنا العديد من المقالات حول البرق هنا في Universe Today. هَذَا مَقَالُ عَنْ أكبر نظام حماية من الصواعق تابع لوكالة ناسا . وإليك مقال مثير للاهتمام حول العلاقة المحتملة بين الرياح الشمسية والبرق .
إذا كنت ترغب في مزيد من المعلومات حول البرق ، تحقق من الصفحة الرئيسية للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) . وهنا رابط مرصد الأرض التابع لوكالة ناسا .
لدينا أيضًا حلقة من Astronomy Cast بعنوان الحلقة 51: الأرض .