تويت
نرى جميعًا البرق ونُذهل من قوته، ذلك رغم تكرر حدوثه. تحدث نحو 8.6 مليون صاعقة برقية حول العالم يوميًا. مع ذلك ما زال انطلاقه من الغيوم إلى الأرض في مسار متعرج لغزًا محيرًا.
تتحدث الكثير من الكتب عن البرق، لكن أيًّا منها لا يفسر كيفية تشكل هذه «الخطوات» المتعرجة، أو كيف يستطيع البرق الانتقال عدة كيلومترات.
لكنّ بحثًا جديدًا ربما يقدم تفسيرًا للأمر.
الحقول الكهربائية القوية في السحب الرعدية تحفز الإلكترونات، فتمنحها ما يكفي من الطاقة لتكوّن ما يسمى «جزيئات الأكسجين المنفردة».
تتجمع الجزيئات والإلكترونات لتُنشئ «خطوةً» قصيرة عالية الناقلية الكهربائية، تتوهج بشدة مدة جزء في المليون من الثانية.
في نهاية «الخطوة»، يحدث توقف قصير بينما يتكرر التجمع، متبوعًا بقفزة متوهجة لامعة أخرى، وتتكرر العملية مرارًا.
إن تزايد الظروف الجوية القاسية يعني زيادة أهمية الحماية من البرق. أيضًا فإن فهمنا لكيفية نشوء الصواعق يزيد من قدرتنا على حماية المباني والطائرات والأفراد.
إن استخدام المركبات الصديقة للبيئة في صناعة الطائرات يقلل استهلاكها للوقود، لكنه يزيد من خطورة تضررها من الصواعق، لذا فعلينا البحث عن سبل إضافية للحماية.
ما سبب حدوث الصواعق؟
تحدث الصواعق عندما تتصل السحب الرعدية -المشحونة بجهد كهربائي يبلغ ملايين الفولتات- مع الأرض، إذ يتدفق تيار شدته آلاف الأمبيرات بين السماء والأرض، مع حرارة تبلغ عشرات الآلاف من الدرجات.
تُظهر الصور الفوتوغرافية الملتقطة للبرق مجموعة من التفاصيل التي لا تُرى بالعين المجردة: عادةً، يصدر من السحابة أربعة أو خمسة «روافد». يتفرع كل منها ويسلك طريقًا متعرجًا غير منتظم تجاه الأرض.
مع وصول أول هذه الخطوط إلى الأرض، تحدث الصاعقة، من ثم تخبو بقية الخطوط.
قبل خمسين عامًا، أظهرت تقنيات التصوير عالية السرعة المزيد من التفاصيل المعقدة. تتقدم خطوط البرق من السُحب إلى أسفل في «خطوات» طول كل منها 50 مترًا. تتوهج كل خطوة جزءًا في المليون من الثانية، يتلوها ظلام شبه تام.
بعد خمسين مليون جزء من الثانية، تتشكل خطوة أخرى، عند نهاية الخطوة السابقة، لكن الخطى السابقة تبقى مظلمة.
كيف تحدث هذه «الخطوات»؟ وماذا يحدث في الفترات المظلمة بين الخطوات؟ وكيف تتصل هذا الخطوات بالسحابة كهربائيًّا دون صلة ظاهرة؟ تكمن إجابات هذه الأسئلة في فهم ما يحدث عندما يصدم إلكترون مفعم بالطاقة جزيء أكسجين.
إن كان للإلكترون طاقة كافية، فسوف يثير الجزيء ليوصله إلى الحالة المنفردة. تلك الحالة شبه مستقرة، ما يعني أنها ليست مستقرة بالكامل، لكنها لا تهبط عادةً إلى حالة طاقية أدنى إلا بعد 45 دقيقة تقريبًا.
يحرر الأكسجين الموجود في الحالة المنفردة الإلكترونات -اللازمة لتدفق الكهرباء- من شوارد الأكسجين سالبة الشحنة. تُستبدل تلك الشوارد على نحو شبه فوري بالإلكترونات -التي تحمل شحنة سالبة- التي ترتبط مجددًا بجزيئات الأكسجين.
عندما يصبح أكثر من 1% من الأكسجين الموجود في الهواء في حالة شبه مستقرة، يصبح الهواء ناقلًا للكهرباء.
إذن، تحدث خطوات البرق مع تكوّن ما يكفي من جزيئات الأكسجين شبه المستقرة لتحرير عدد كبير من الإلكترونات. تتزايد كثافة الإلكترونات وجزيئات الأكسجين شبه المستقرة في المرحلة المظلمة من الخطوة.
تستطيع الخطوة نقل الكهرباء بعد 50 جزءًا في المليون من الثانية، ويزداد الجهد الكهربائي في ذروة الخطوة إلى ما يقارب الجهد الكهربائي للسحابة، ثم تنتج خطوة أخرى.
تُشكل الجزيئات المثارة التي نشأت عن الخطوات السابقة عمودًا يصل إلى السحابة. من ثم يصبح العمود بأكمله ناقلًا للكهرباء، دون الحاجة إلى حقل كهربائي، مع إصدار القليل من الضوء.
حماية الأرواح والممتلكات
إن فهم كيفية تشكل البرق أمر ضروري لتصميم أنظمة الحماية للأبنية والطائرات والأفراد. تندر إصابات الناس من البرق، لكنه يصيب العديد من المباني، خاصةً المباني المرتفعة والمعزولة.
عندما تصيب صاعقةٌ شجرةً، يغلي النسغ الذي يجري في جذعها مسببًا ضغطًا يفجر الجذع. على نحو مشابه، عندما تضرب صاعقة ركن مبنى، يغلي ماء المطر المتسرب ضمن الخرسانة. يفجر الضغط الناتج ذلك الركن بالكامل، ما قد يسبب حدوث انهيارات مميتة.
مانع الصواعق الذي اخترعه بنيامين فرانكلين عام 1752 هو عمليًّا سلك معدني سميك، مرتبط بقمة البناء ومتصل بالأرض. صُمم مانع الصواعق لجذب الصواعق وتأريض الشحنة الكهربائية. يحمي هذا الاختراع المبنى من التعرض للضرر، بتوجيه التدفق الكهربائي عبر السلك.
موانع الصواعق مطلوبة في الوقت الحالي للمباني المرتفعة، لكن العامل غير المؤكد هو عدد القضبان اللازمة منها على كل مبنى. إضافةً إلى أن مئات المباني غير محمية، متضمنةً مظلات الأمطار الموجودة في الحدائق. تُصنع هذه البنى غالبًا من حديد مطلي بالزنك، لذا فهو عالي الناقلية ومدعوم بأوتاد خشبية. لذلك تنصح النسخة الجديدة من المعايير الأسترالية بتأريض تلك المظلات.
تتحدث الكثير من الكتب عن البرق، لكن أيًّا منها لا يفسر كيفية تشكل هذه «الخطوات» المتعرجة، أو كيف يستطيع البرق الانتقال عدة كيلومترات.
لكنّ بحثًا جديدًا ربما يقدم تفسيرًا للأمر.
الحقول الكهربائية القوية في السحب الرعدية تحفز الإلكترونات، فتمنحها ما يكفي من الطاقة لتكوّن ما يسمى «جزيئات الأكسجين المنفردة».
تتجمع الجزيئات والإلكترونات لتُنشئ «خطوةً» قصيرة عالية الناقلية الكهربائية، تتوهج بشدة مدة جزء في المليون من الثانية.
في نهاية «الخطوة»، يحدث توقف قصير بينما يتكرر التجمع، متبوعًا بقفزة متوهجة لامعة أخرى، وتتكرر العملية مرارًا.
إن تزايد الظروف الجوية القاسية يعني زيادة أهمية الحماية من البرق. أيضًا فإن فهمنا لكيفية نشوء الصواعق يزيد من قدرتنا على حماية المباني والطائرات والأفراد.
إن استخدام المركبات الصديقة للبيئة في صناعة الطائرات يقلل استهلاكها للوقود، لكنه يزيد من خطورة تضررها من الصواعق، لذا فعلينا البحث عن سبل إضافية للحماية.
ما سبب حدوث الصواعق؟
تحدث الصواعق عندما تتصل السحب الرعدية -المشحونة بجهد كهربائي يبلغ ملايين الفولتات- مع الأرض، إذ يتدفق تيار شدته آلاف الأمبيرات بين السماء والأرض، مع حرارة تبلغ عشرات الآلاف من الدرجات.
تُظهر الصور الفوتوغرافية الملتقطة للبرق مجموعة من التفاصيل التي لا تُرى بالعين المجردة: عادةً، يصدر من السحابة أربعة أو خمسة «روافد». يتفرع كل منها ويسلك طريقًا متعرجًا غير منتظم تجاه الأرض.
مع وصول أول هذه الخطوط إلى الأرض، تحدث الصاعقة، من ثم تخبو بقية الخطوط.
قبل خمسين عامًا، أظهرت تقنيات التصوير عالية السرعة المزيد من التفاصيل المعقدة. تتقدم خطوط البرق من السُحب إلى أسفل في «خطوات» طول كل منها 50 مترًا. تتوهج كل خطوة جزءًا في المليون من الثانية، يتلوها ظلام شبه تام.
بعد خمسين مليون جزء من الثانية، تتشكل خطوة أخرى، عند نهاية الخطوة السابقة، لكن الخطى السابقة تبقى مظلمة.
كيف تحدث هذه «الخطوات»؟ وماذا يحدث في الفترات المظلمة بين الخطوات؟ وكيف تتصل هذا الخطوات بالسحابة كهربائيًّا دون صلة ظاهرة؟ تكمن إجابات هذه الأسئلة في فهم ما يحدث عندما يصدم إلكترون مفعم بالطاقة جزيء أكسجين.
إن كان للإلكترون طاقة كافية، فسوف يثير الجزيء ليوصله إلى الحالة المنفردة. تلك الحالة شبه مستقرة، ما يعني أنها ليست مستقرة بالكامل، لكنها لا تهبط عادةً إلى حالة طاقية أدنى إلا بعد 45 دقيقة تقريبًا.
يحرر الأكسجين الموجود في الحالة المنفردة الإلكترونات -اللازمة لتدفق الكهرباء- من شوارد الأكسجين سالبة الشحنة. تُستبدل تلك الشوارد على نحو شبه فوري بالإلكترونات -التي تحمل شحنة سالبة- التي ترتبط مجددًا بجزيئات الأكسجين.
عندما يصبح أكثر من 1% من الأكسجين الموجود في الهواء في حالة شبه مستقرة، يصبح الهواء ناقلًا للكهرباء.
إذن، تحدث خطوات البرق مع تكوّن ما يكفي من جزيئات الأكسجين شبه المستقرة لتحرير عدد كبير من الإلكترونات. تتزايد كثافة الإلكترونات وجزيئات الأكسجين شبه المستقرة في المرحلة المظلمة من الخطوة.
تستطيع الخطوة نقل الكهرباء بعد 50 جزءًا في المليون من الثانية، ويزداد الجهد الكهربائي في ذروة الخطوة إلى ما يقارب الجهد الكهربائي للسحابة، ثم تنتج خطوة أخرى.
تُشكل الجزيئات المثارة التي نشأت عن الخطوات السابقة عمودًا يصل إلى السحابة. من ثم يصبح العمود بأكمله ناقلًا للكهرباء، دون الحاجة إلى حقل كهربائي، مع إصدار القليل من الضوء.
حماية الأرواح والممتلكات
إن فهم كيفية تشكل البرق أمر ضروري لتصميم أنظمة الحماية للأبنية والطائرات والأفراد. تندر إصابات الناس من البرق، لكنه يصيب العديد من المباني، خاصةً المباني المرتفعة والمعزولة.
عندما تصيب صاعقةٌ شجرةً، يغلي النسغ الذي يجري في جذعها مسببًا ضغطًا يفجر الجذع. على نحو مشابه، عندما تضرب صاعقة ركن مبنى، يغلي ماء المطر المتسرب ضمن الخرسانة. يفجر الضغط الناتج ذلك الركن بالكامل، ما قد يسبب حدوث انهيارات مميتة.
مانع الصواعق الذي اخترعه بنيامين فرانكلين عام 1752 هو عمليًّا سلك معدني سميك، مرتبط بقمة البناء ومتصل بالأرض. صُمم مانع الصواعق لجذب الصواعق وتأريض الشحنة الكهربائية. يحمي هذا الاختراع المبنى من التعرض للضرر، بتوجيه التدفق الكهربائي عبر السلك.
موانع الصواعق مطلوبة في الوقت الحالي للمباني المرتفعة، لكن العامل غير المؤكد هو عدد القضبان اللازمة منها على كل مبنى. إضافةً إلى أن مئات المباني غير محمية، متضمنةً مظلات الأمطار الموجودة في الحدائق. تُصنع هذه البنى غالبًا من حديد مطلي بالزنك، لذا فهو عالي الناقلية ومدعوم بأوتاد خشبية. لذلك تنصح النسخة الجديدة من المعايير الأسترالية بتأريض تلك المظلات.