ماهو البرق

ظاهرة طبيعية بصرية تظهر في صورة شرارة كهربائية، والتي تنشأ عن تفريغ مفاجئ وعنيف في مناطق الغلاف الجوّي المشحونة. غالبًا ما يتشكّل البرق أثناء العواصف الرعدية؛ إذ إنّ الرعد هو صوت موجة الصدمة الناتجة عن ازدياد الضغط المفاجئ للجزيئات الغازية. عندما يكون التفريغ الكهربائي شديدًا بين السحاب وبين جسم مشحون على الأرض يسمّى البرق والرعد المصاحب له حينها بالصاعقة.

هناك ثلاثة أصناف رئيسية للبروق وذلك حسب مكان التفريغ، وهي المتشكّلة إمّا داخل سحابة العاصفة الرعدية أو بين السحب أو بين السحب والأرض. توجد عدّة أشكال ظاهرية للبرق يبلغ عددها حوالي 15 منها: برق عديم الرعد، والذي يشاهد ولا يُسمَع صوت رعده؛ وكذلك البرق الجاف، والذي يسبّب العديد من حرائق الغابات.

لكي تحدث عمليّة تفريغ كهربائي ينبغي توفّر شرطين أساسيّين؛ الأوّل: وجود فرق جهد كبير بالشكل الكافي بين منطقتين في الفضاء؛ والثاني: وجود وسط عازل يحول دون معادلة الشحنة، وهو الأمر الذي يؤمّنه الهواء في الغلاف الجوّي. من المعلوم أنّه خلال العاصفة الرعدية يحدث هناك فصل بين منطقتين مختلفتين في نمط الشحنة الكهربائية داخل السحابة؛ إلّا أنّ الآلية التفصيلية لعمليّة تشكّل البرق ما تزال غير مفهومة بالكامل.^[1]

نظريات التشكل للبرق

يتشكّل البرق عادةً داخل المزن الركامي، والتي تسمّى أيضًا سحابة العاصفة الرعدية، وذلك من حدوث عملية تفريغ كهربائي، والتي تتمثّل بوميض البرق. لكي تحدث عملية التفريغ لا بدَّ من حدوث فصل للشحنات الكهربائية عن بعضها؛ إلّا أنّ عملية التفريغ الكهربائي الفعلية هي المرحلة الأخيرة من عملية معقّدة جدًّا.^[2] ما يجعل الأمرَ معقّدًا هو التباين الواضح بين عملية تشكّل البرق طبيعيًا وبين التجارب المخبرية لتشكيل البرق في وسط غازي، إذ أنّ الحركية الكبيرة للجزيئات تُصعّب من مهمّة فصل الشحنات الكهربائية عن بعضها والإبقاء عليها كذلك لفترة طويلة، خاصّةً من غير استخدام تجهيزات تقنية من أجل محاكاة تشكّل البرق طبيعيًا. ما تزال الآلية الكاملة لتشكُّل البرق والصواعق محطَّ دراسةٍ وتحقيقٍ علمي.^[3][4]

إن أكثر أنواع البرق دراسةً هو البرق المتشكّل بين السحاب والأرض (CG)؛ على الرغم من الشيوع الأكبر لومضات البرق داخل السحاب (IC) وبين السحب (CC) إلّا أنّه يصعب دراستها بسبب عدم وجود نقاط مادّية فيزيائية للمراقبة وللقياس على مستوى السحب، بالإضافة إلى صعوبة التنبّؤ بزمان ومكان حدوث ومضات البرق أو الصواعق في الأنواع الأخيرة. ولكن من حيث المبدأ، يمكن تعميم الملاحظات والنتائج المستحصَل عليها من البرق المتشكّل بين السحاب والأرض على باقي أنواع البروق.

الكهرباء داخل البرق

ما تزال عمليّة الشحن الكهربائي الحاصلة في العواصف الرعدية محطَّ دراسةٍ من العلماء، الذين يحاولون إيجاد تفسير نهائي لآلية حدوثها، إلّا أنّ هناك توافقٌ عام على المبادئ الأساسية لعملية الكَهْرَبة في العواصف الرعدية.

تقع منطقة الشحن الكهربائي الرئيسية للعاصفة الرعدية في القسم المتوسّط، حيث يتحرّك الهواء صاعدًا إلى الأعلى (تيّار صاعد) بسرعةٍ كبيرة تصل إلى 5-20 متر/الثانية وما فوق؛^[5] وتتراوح عندها درجات الحرارة بين -15 إلى -25 °س، حيث تقع تلك المنطقة أعلى من مستوى التجمّد. في تلك المنطقة، تؤدّي مجموعة العوامل من درجة الحرارة وحركة التيّار الهوائي الصاعد السريعة إلى تكاثف بخار الماء داخل السحابة مشكّلًا مزيجًا من قطيرات ماءٍ صغيرة فائقة التبريد دون نقطة التجمّد، بالإضافة إلى حدوث عملية ترسيب إلى بلّورات جليد صغيرة وكذلك إلى حبيبات البَرَد الدقيق. بما أنّ عملية التكاثف طاردة للحرارة، فيؤدّي ذلك إلى زيادة حركية الجسيمات في الحيّز الفراغي داخل السحابة بالمقارنة مع خارجها، ممّا يساعد على اندفاعها داخل السحابة للأعلى. بالإضافة إلى ذلك، يحمل التيار الهوائي الصاعد قطيرات الماء فائقة التبريد وبلّورات الجليد الصغيرة إلى الأعلى؛ بالمقابل تميل حبيبات البَرَد الدقيق ذات الحجم الأكبر والكثافة الأعلى إلى السقوط أو البقاء معلّقةً في الهواء.

تشكل الحقل الكهربائي

يمكن أن يتشكّل البرق من الحركة الدورانية للهواء الدافئ الرطب عبر الحقول الكهربائية،^[9] ثم تقوم جسيمات الماء أو الجليد بتجميع الشحنة كما هو الحال في مولد فان دي غراف.^[10] فمع مرور الوقت تتجمّع حبيبات البَرَد الدقيق ذات الشحنة السالبة أسفل سحابة العاصفة الرعدية، وعندما تدنو تلك السحابة من سطح الأرض، تحدث عملية تحريض كهربائي ساكن (حثّ كهروستاتيكي) على سطح الأرض أسفل سحابة العاصفة الرعدية وذلك بشحنة كهربائية مساوية بالقيمة للشحنة في السحابة ولكنّها معاكسة لها بالقطبية. بسبب وجود منطقتين مختلفتي الشحنة يتولّد حقل كهربائي في الهواء بينهما، وتتفاوت شدّته حسب كمّية الشحنة. تكون الشحنة الكهربائية الموجبة المحرَّضَة أوّل تشكّلِها صغيرةً نسبيًا، وعند اقتراب سحابة العاصفة الرعدية، وذلك عند قياسها مقابل نقطة ثابتة، إلّا أنّها تزداد مع اقتراب مركز العاصفة، ثم لا تلبث أن تنخفض مجدّدًا مع مرور السحابة. يمكن للقيمة المرجعية لشحنة السطح المحرَّضة أن تُمثَّل تقريبيًا على هيئة منحني الجرس. يمكن قياس شدّة الحقل الكهربائي في الغلاف الجوي بأجهزة خاصة.

عندما يتجاوز الحقل الكهربائي الموضعي قيمة شدة العزل للهواء الرطب (حوالي 3 ملايين فولت لكل متر) فإنّ التفريغ الكهربائي يحصل على هيئة صاعقة، والتي غالبًا ما تتبع بومضات تفريغ بشكل متناسب، والتي تتفرّع من نفس المسار.^[11] من جهةٍ أخرى، فإنّ الحقل الكهربائي داخل سحابة العاصفة الرعدية ليس كبيرًا بالشكل الكافي لكي يقوم بتوليد عملية تشكّل البرق من تلقاء نفسه.^[12] الأمرَ الذي جعل الباحثين يميلون حاليًا لوجود ضرورةٍ لحدوث تأيّن للهواء وتشكيل مسار أو قناة تؤمّن نقل الشحنة الكهربائية.

تشكّل قناة البرق عبر التأيّن

الضربة المرتدة للبرق

عند الارتباط تتشكّل قناةٌ ناقلةٌ لتكون صلةَ وصلٍ بين منطقةٍ ذات شحنةٍ سالبةٍ فائضةٍ في سحابة العاصفة الرعدية وبين شحنةٍ موجبةٍ فائضةٍ في الأسفل، ويحدث هبوطٌ كبيرٌ في المقاومة على طول قناة البرق. في هذه الأثناء، ونتيجةً لذلك تتسارع الإلكترونات بشكلٍ كبير في منطقةٍ تبدأ من نقطة الارتباط وتتوسّع على طول شبكة القائد بسرعاتٍ تعادل أجزاءً من سرعة الضوء. تبدو هذه العملية لمراقبٍ على سطح الأرض على هيئة «ضربة مرتدّة» ^{(ملاحظة 6)}، والتي تكون أكثر أقسام وميض البرق ضياءً وملاحَظةً أثناءَ عمليّة التفريغ.

يمرّ تيّارٌ كهربائيٌ كبيرُ الشدّة عبرَ قناة البلازما من سحابة العاصفة الرعدية إلى الأرض ويقوم بتعديل الشحنة الموجبة على الأرض عندما تقوم الإلكترونات بالسَرَيان من نقطة الضربة إلى المناطق المحيطة؛ ممّا يؤدّي في النهاية إلى حدوث فرقٍ في الجهد الكهربائي. بما أنّ الكهرباء تسري بالطرق الممكنة المُتاحة لها والأقلّ مقاومة؛^[21] فإنّ جزءًا من تيّار الضربة المرتدّة يمرّ عبر قناةٍ ويخرج من الأخرى مُكهرِبًا الأشياءَ بما فيها الكائنات الحيّة الموجودة على الأرض، ويحدث ما يعرف باسم الصاعقة.

في بعض الحالات يمكن أن ينشأ وميضُ برقٍ من السحاب إلى الأرض من منطقة ذات شحنة موجبة على الأرض تقع تحت العاصفة. هذا النوع من التفريغ ينشأ عادةً من أعالي الإنشاءات الطويلة مثل هوائيات أبراج الاتصال. إنّ الكمّية الهائلة من التيّار الكهربائي الحاصلة أثناء الضربة المرتدّة، بالإضافة إلى معدّل السرعة الفائق والزمن القصير الذي تحدث فيه العملية يؤدّي في النهاية إلى حدوث فرط إحماء في قناة القائد المكتملة، ممّا يسهم في تشكيل قناة من البلازما ذات موصلية كهربائية مرتفعة. يمكن لدرجات الحرارة في لبّ قناة البلازما أن تتجاوز 50 ألف كلفن؛ ممّا يؤدّي إلى إشعاعها بلون أبيض مزرق. عندما يتوقّف تدفًّقُ التيّار الكهربائي تتبرّد القناة وتتشتّت خلال عشراتِ إلى مئاتِ الملّي ثانية، ثمّ تختفي على هيئة رُقَعٍ مُجَزّئةٍ من غازٍ وَمّاض. تؤدّي عمليّة التسخين فائقة السرعة لغازات الهواء إلى حدوث عملية تمدّد مفاجئة على شكلٍ انفجاري، ممّا يؤدّي إلى حدوث موجة صدمة تُسمَع على هيئة رعد.

النهاية

شكرا جزيلا لكم

واتمنى انكم استفدتم

وشكرا لكم