مثل كثيرا ما يحدث في العلوم، عندما لم تنجح تجارب أندريا ستولنر كما هو متوقع، قادتها إلى شيء أكثر إثارة للاهتمام – طريقة لدراسة ما يمكن أن يكون الشرارة الأولية لـ البرقباستخدام الليزر وجسيم مجهري واحد.

ترأس ستولنر، وهو باحث فيزياء من معهد العلوم والتكنولوجيا بالنمسا، دراسة مع فريق دولي من الباحثين في قدرة معروفة ولكن غير مفهومة لـ “ملاقط” تعتمد على الضوء لشحن الجسيمات في متناول أيديهم، مما يمنح الباحثين طريقة جديدة للتحقيق في واحدة من أكثر الظواهر الطبيعية روعة.

كيف يبدأ البرق واحدة من أكبر الألغاز في علم الغلاف الجوي. هناك العديد من النظريات التي تحاول جميعها تفسير ما الذي يطلق الشلال الكهربائي داخل السحب والذي يبلغ ذروته في صاعقة البرق.

ما يقرب من 9 ملايين صاعقة تضيء الأرض كل يوم، متعرج من خلال السحب ل مئات الأميال في الحالات القصوى.

متعلق ب: أطول ضربة صاعقة في العالم عبرت مسافة 515 ميلاً من تكساس إلى كانساس

ومع ذلك، بالنظر إلى مقدار ما نعرفه عن فيزياء الأجسام البعيدة في أركان بعيدة من الكون، من المدهش أننا لا نعرف ما الذي يسبب البرق داخل السحب على بعد بضعة كيلومترات فقط فوق رؤوسنا.

أرسل العلماء بالونات الطقس لقياس الظروف داخل السحب الرعدية، وقادوا طائرات عبر العواصف، واستخدموا كاميرات عالية السرعة وأجهزة استشعار. أجهزة الاستشعار لالتقاط ضربات البرق – و التفاعلات النووية الضوئية أنها تؤدي.

لكن كيف يبدأ البرق بالتحديد يبقى سؤالًا مفتوحًا.

تصبح السحب الرعدية مشحونة للغاية; هذا معروف كثيرًا. النظرية الرائدة هي أن بلورات الجليد داخل السحب تصبح مشحونة عندما تصطدم بنوع من البَرَد الناعم يسمى غراوبل؛ تنفصل الشحنات المتضادة، مما يخلق مجالًا كهربائيًا.

هناك مشكلة واحدة فقط. المجالات الكهربائية المقاسة داخل السحب ضعيفة نسبياً؛ ليس قريبًا من القوة الكافية ل تحويل الهواء إلى موصل من خلالها يمكن أن يتدفق التيار.

“هذا يشير إلى أن هناك خطأ ما في قياساتنا،” جوزيف دواير ومارتن أومان، وهما عالمان في مجال البرق، كتب في عام 2014“أو أن هناك خطأ ما في فهمنا لكيفية حدوث التفريغ الكهربائي في بيئة العواصف الرعدية.”

ربما يكون هناك جيوب المجالات الكهربائية ذات الكثافة العالية قال ستولنر لموقع ScienceAlert: “داخل السحب التي لم يجدها العلماء بعد، أو أن بلورات الجليد تخلق بطريقة أو بأخرى الشرارة الأولى التي يحتاجها البرق لبدء”.

الأشعة الكونية ذات الطاقة العالية هناك احتمال آخر: قد تؤدي إلى تأين الهواء، مما يؤدي إلى إنشاء وابل من الإلكترونات الحرة التي تصطدم بصاعقة البرق.

يقول ستولنر: “لكن مرة أخرى، قد يكون الأمر أيضًا شيئًا مختلفًا تمامًا أو مزيجًا من كل هذه الأشياء؛ لا نعرف”.

كانت النظريات حول كيفية ظهور البرق تطفو على السطح منذ الخمسينيات والستينيات، يعتمد إلى حد كبير على الملاحظات والمحاكاة الحاسوبية، ونادرا ما يتم اختباره التجارب المعملية.

لم تشرع ستولنر في دراسة كيفية ظهور البرق، ولكن هذا هو المكان الذي تتجه إليه أبحاثها.

يقول ستولنر، طالب الدكتوراه في مختبرات الفيزيائي سكوت وايتوكايتيس وعالمة المناخ كارولين مولر: “أعتقد أن الوقت مناسب الآن لإعادة النظر في هذا السؤال، لأن لدينا التكنولوجيا اللازمة للقيام بذلك”.

وفي دراستهم الأخيرة، قامت ستولنر وزملاؤها الليزر المستخدم “لاحتجاز” جسيم مجهري واحد من السيليكا وقياس شحنة الجسيم مع زيادة شدة الليزر. عندما تتراكم الشحنة على جسيمات السيليكا المحايدة، فإنها “تهتز” في المجال الكهربائي المتناوب عبر الليزر.

تشير قياسات الفريق إلى أن جسيم السيليكا المحايد يمتص على الأرجح فوتونين من الليزر، الذي ينشط ويحرر الإلكترونات، ويترك الجسيم مشحونًا بشحنة موجبة.

لكن ستولنر لاحظ أيضًا شيئًا غير متوقع: في بعض الأحيان، عندما يتم احتجاز جسيم لأسابيع، فإنه يتوقف فجأة عن الاهتزاز بنفس القدر – وهو اهتزاز تلقائي. تسريحوالتي، إذا حدثت في الغلاف الجوي، قد تؤدي إلى شيء أكبر، مثل صاعقة البرق.

يقول ستولنر: “لا نعرف كيف يحدث ذلك، ولكن في الأساس تنخفض الشحنة بسرعة كبيرة”. “نحن مهتمون جدًا بمعرفة أسباب ذلك، وهذا في الواقع هو نفس السؤال عن بدء البرق، فقط على هذا المقياس الصغير جدًا.”

يعتبر رابط البرق تخمينيًا للغاية في هذه المرحلة، لذلك لا يزال ستولنر يدرس التفريغ ويختبر ما إذا كان لحجم الجسيمات أو الرطوبة أو الضغط أي تأثير.

يقول ستولنر: “بطريقة ما، يعد ذلك أحد القيود على دراستنا لأن كل شيء صغير جدًا وصغير جدًا، و10 إلكترونات لا تصنع البرق”. “ولكن من ناحية أخرى، فهي طريقة عالية الدقة للغاية لفحص عملية الشحن والتفريغ لجسيم واحد.”

قال دان دانييل، عالم الفيزياء في معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا في اليابان، والذي لم يشارك في الدراسة، لموقع ScienceAlert أن القدرة على احتجاز جسيم دون ميكرون واحد، وشحنه بشكل يمكن التحكم فيه، وقياس شحنته “بدقة رائعة” هي “مثيرة للإعجاب حقًا”.

وأوضح دانييل: “هذا هو بالضبط مستوى الدقة المطلوب للتحقيق في نهاية المطاف في شحن قطرات الماء أو جزيئات الجليد، وهي خطوة أساسية نحو فهم مجهري حقيقي للبرق وكهربة السحب وكهرباء الغلاف الجوي”.

تعتبر هذه الطريقة أكثر واقعية في بعض النواحي لأنها لا تستخدم أقطاب كهربائية معدنية لقياس الشحنة. بدلا من ذلك، تحوم الجزيئات في الهواء مثل الهباء الجوي في الغلاف الجوي.

كما أنها تستخدم مجالات كهربائية أضعف من التجارب المخبرية السابقةيقول ستولنر.

ومع ذلك، يُعتقد أن بلورات الجليد الموجودة في السحب، وليس الهباء الجوي، هي اللاعب الرئيسي في بدء البرق، وهي موجودة معقدة وغريبة بطرقهم الخاصة.

ويشير دانيال أيضًا إلى أن ضوء الشمس الذي يضرب الغلاف الجوي للأرض أضعف بكثير من أشعة الليزر المستخدمة في هذه التجارب. ومع ذلك، هناك بعض الأدلة على أن جزيئات الغبار والهباء الجوي يمكن أن تصبح مشحونة تحت الأشعة فوق البنفسجية – على الأرجح عبر عملية فوتون واحد بدلاً من عملية متعددة الفوتونات، كما يقول دانييل.

الغبار على القمر، والتي تتعرض للقصف بالأشعة فوق البنفسجية والرياح الشمسية أيضًا تصبح مشحونة وترتفع، انسداد المركبات والأدوات القمرية.

لذا فإن الإطار التجريبي ذو صلة “ليس فقط بالإضاءة وكهربة السحب”، كما يقول دانييل، “ولكن أيضًا بالمشكلات في علوم الكواكب واستكشاف الفضاء”.

وقد نشرت الدراسة في رسائل المراجعة البدنية.

تم دعم البحث الخاص بهذا المقال جزئيًا من خلال الإقامة الصحفية الممولة من معهد العلوم والتكنولوجيا في النمسا (ISTA). لم يكن لدى ISTA أي مساهمة في القصة.