يمكن أن تأتي الطاقة اللازمة للعواصف الرعدية من سيل من الإلكترونات المزروعة من خارج كوكب الأرض الأشعة الكونية، تدعي دراسة جديدة.

لقد عرف العلماء بالفعل أن البرق عبارة عن تفريغ كهربائي بين السحب الرعدية وسطح الأرض، ولكن كيفية حصول السحب العاصفة على مجال كهربائي قوي بما يكفي لإلقاء صاعقة ظلت لغزا لعدة قرون.

الآن، استخدمت دراسة جديدة نماذج حاسوبية للكشف عن أن البرق يضرب نتيجة لتفاعل متسلسل قوي يبدأ في الفضاء الخارجي. نشر الباحثون النتائج التي توصلوا إليها في 28 يوليو في مجلة مجلة البحوث الجيوفيزيائية: الأجواء.

“توفر النتائج التي توصلنا إليها أول تفسير كمي دقيق لكيفية ظهور البرق في الطبيعة”، يقول المؤلف الرئيسي للدراسة فيكتور باسكو، أستاذ الهندسة الكهربائية في كلية ولاية بنسلفانيا للهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر، قال في بيان. “إنه يربط النقاط بين الأشعة السينية والمجالات الكهربائية وفيزياء الانهيارات الإلكترونية.”

لقد تم تأكيد الطبيعة الكهربائية للبرق من قبل بنجامين فرانكلين في عام 1752. في كثير من الأحيان تحريفتضمنت التجربة إطلاق طائرة ورقية مثبتة على سلك طوله قدم واحد (0.3 متر) من أحد طرفيه وخيط خيوط متصل بمفتاح مع الطرف الآخر، والذي كان فرانكلين يحمله بشريط حريري. عندما جاءت العاصفة، أصبحت الطائرة الورقية مكهربة، وأصبح الخيط مبتلًا، بحيث قفزت شرارة صغيرة من المفتاح إلى إصبعه الممدود.

وعلى الرغم من هذا الاكتشاف، فإن البيانات المسجلة بالطائرات وبالونات الطقس تظهر أن المجال الكهربائي اللازم لتدفق الإلكترونات إلى الأرض هو أكبر بحوالي 10 مرات من تلك التي تم قياسها فعليًا داخل السحب العاصفة.

متعلق ب: تلعب “الإلكترونات القاتلة” لعبة الكرة والدبابيس مع الطقس الفضائي حول الأرض

هناك نظريتان متنافستان لشرح كيفية حدوث البرق فعليًا. الأول، الكهرباء الساكنة في الغلاف الجوي، يفترض أن الاحتكاك بين كتل الجليد في السحب العاصفة يفصل الإلكترونات سالبة الشحنة عن الذراتمما يؤدي إلى تجمعها حتى تتأين الجزيئات الموجودة في الغلاف الجوي تحتها، مما يؤدي إلى تحرير ما يكفي من الإلكترونات للاندفاع نحو الأرض على طول مسارات متفرعة متعددة.

في النظرية الثانية، يتم تحقيق هذا التأين الأولي بواسطة الأشعة الكونية – وهي جسيمات دون ذرية عالية الطاقة (معظمها بروتونات) قادمة من الفضاء الخارجي وتضرب الغلاف الجوي العلوي. تأتي هذه الأشعة من الشمس; انفجارات نجمية تسمى المستعرات الأعظم. النجوم النيوترونية سريعة الدوران والتي تسمى النجوم النابضة؛ وغيرها من المصادر غير المعروفة. عندما تضرب الجسيمات الكونية الغلاف الجوي، فإنها تخلق انهيارًا جامحًا للإلكترونات ينتهي بسلسلة مذهلة من الأرض.

في الدراسة الجديدة، قام الباحثون بتجميع البيانات من أجهزة الاستشعار الأرضية والأقمار الصناعية وطائرات التجسس على ارتفاعات عالية، وطابقوا المعلومات مع نموذج رياضي يحاكي الظروف في سحابة عاصفة قبل الضربة.

دعمت عمليات محاكاة النموذج نظرية الأشعة الكونية، وأظهرت أن الإلكترونات التي تنتجها البروتونات عالية السرعة تتسارع على طول خطوط المجال الكهربائي، وتتضاعف عندما تصطدم بجزيئات في الغلاف الجوي، مثل النيتروجين والأكسجين. ويقول الباحثون إن هذا يؤدي إلى سيل من الإلكترونات، مما ينتج عنه فوتونات عالية الطاقة تؤدي إلى حدوث البرق.

ومن المثير للدهشة أن النموذج يفسر أيضًا سبب حدوث ومضات من أشعة جاما -فوتونات عالية الطاقة- والأشعة السينية قبل حدوث البرق.

وقال باسكو: “في نموذجنا، تولد الأشعة السينية عالية الطاقة التي تنتجها الانهيارات الإلكترونية النسبية إلكترونات أولية جديدة مدفوعة بالتأثير الكهروضوئي في الهواء، مما يؤدي إلى تضخيم هذه الانهيارات الجليدية بسرعة”. “بالإضافة إلى إنتاجه بكميات صغيرة جدًا، يمكن أن يحدث هذا التفاعل المتسلسل الجامح بقوة متغيرة للغاية، مما يؤدي غالبًا إلى مستويات يمكن اكتشافها من الأشعة السينية، بينما تكون مصحوبة بانبعاثات بصرية وإذاعية ضعيفة للغاية. وهذا ما يفسر سبب ظهور ومضات أشعة جاما هذه من مناطق المصدر التي تبدو خافتة بصريًا وصامتة راديويًا”.