تتيح تقنية جديدة وجريئة تعتمد على الليزر للباحثين احتجاز وشحن جسيم واحد من الهباء الجوي، مما يفتح نافذة على كيفية قيام بلورات الجليد الصغيرة في السحب بتخزين وإطلاق الطاقة الكهربائية.

وكما اكتشف الفريق، يمكن لفوتونات الليزر أن تطرد الإلكترونات من هذه الجسيمات واحدًا تلو الآخر، مما يسمح للعلماء بمشاهدتها وهي تشحن وتفرغ وتتصرف بطرق تحاكي ما قد يحدث عاليًا في سحب العواصف الرعدية.

يمكن لهذا العمل أن يسلط الضوء على واحدة من أكثر العمليات غموضًا في الطبيعة، ألا وهي كيف تبدأ شرارة البرق الأولى.

الهباء الجوي وتعقيده الخفي

الهباء الجوي عبارة عن جزيئات صغيرة من مادة سائلة أو صلبة تنجرف عبر الهواء وتتواجد باستمرار في محيطنا. بعضها كبير بما يكفي لرصده، مثل حبوب اللقاح الربيعية، في حين أن بعضها الآخر، بما في ذلك فيروسات موسم الأنفلونزا، أصغر بكثير من أن يمكن رؤيتها. وبعضها يمكن اكتشافه عن طريق الذوق، مثل جزيئات الملح العائمة في هواء شاطئ البحر.

تدرس طالبة الدكتوراه أندريا ستولنر، وهي عضو في مجموعتي ويتوكايتس ومولر في معهد العلوم والتكنولوجيا في النمسا (ISTA)، سلوك بلورات الجليد الموجودة في السحب. وللتحقق من كيفية تشكل هذه البلورات وتكوينها للشحنة الكهربائية، عملت مع نماذج الهباء الجوي المصنوعة من جزيئات السيليكا الصغيرة والشفافة.

بالتعاون مع باحث ما بعد الدكتوراه السابق في ISTA إسحاق لينتون، والأستاذ المساعد في ISTA سكوت وايتوكايتيس وزملائه، ابتكر ستولنر طريقة لالتقاط جسيم واحد من السيليكا والاحتفاظ به وشحنه كهربائيًا باستخدام شعاعي ليزر مركَّزين. ويمكن استخدام هذه التقنية لاستكشاف مجموعة من الأسئلة العلمية، بما في ذلك كيف تصبح السحب نشطة كهربائيًا وما الذي يسبب البرق.

https://www.<a href="https://yalebnan.org/49812/" rel="noopener noreferrer">youtube</a>.com/<a href="https://yalebnan.org/49855/" rel="noopener noreferrer">watch</a>?v=tGci6CF1-OU

يعد التقاط جسيم بحجم ميكرون أمرًا صعبًا. لإنجاز المهمة، يكون شعاعا الليزر مفيدًا. تعمل مثل الملقط، يمكنها احتجاز جسيم منفرد وتأمينه وشحنه. الائتمان: © أندريا ستولنر / ISTA

اختراقات محاصرة الليزر في أبحاث الهباء الجوي

في مختبرها، تقف ستولنر بجانب طاولة واسعة مليئة بأدوات معدنية مصقولة. تتحرك أشعة الليزر الخضراء عبر الإعداد، وتنعكس من مرآة صغيرة إلى أخرى. تصدر الطاولة هسهسة ناعمة وثابتة مثل الهواء المتسرب. وتوضح قائلة: “إنها طاولة مضادة للاهتزاز”، مؤكدة على كيفية منع الاضطرابات الصغيرة من التدخل في عمل الليزر الدقيق.

تشق أشعة الليزر طريقها عبر سلسلة من المكونات مرتبة بعناية قبل دمجها في شعاعين متوازيين يدخلان في حاوية صغيرة. وعند هذه النقطة يشكلون “فخًا” قائمًا على الضوء، ويعمل بمثابة “ملقط بصري” يمكنه إبقاء الأشياء الصغيرة معلقة في مكانها. عندما تنجرف الجزيئات عبر العلبة، قد تضيء إحداها فجأة باللون الأخضر الساطع، لتكشف عن أنه تم التقاطها بنجاح داخل الفخ.

تقول ستولنر وهي تتذكر لحظة اكتشافها قبل عامين، قبل عيد الميلاد مباشرة: “في المرة الأولى التي التقطت فيها جسيمًا، كنت في قمة السعادة”. “هرع سكوت وايتوكايتيس وزملائي إلى المختبر وألقوا نظرة سريعة على جسيم الهباء الجوي الذي تم التقاطه. واستمر الأمر ثلاث دقائق بالضبط، ثم اختفى الجسيم. والآن يمكننا الاحتفاظ به في هذا الوضع لأسابيع.”

استغرق الوصول إلى هذا المستوى من الاستقرار ما يقرب من أربع سنوات من التحسين، بناءً على إعداد سابق صممه لينتون. يوضح ستولنر: “في الأصل، تم تصميم نظامنا بحيث يحتوي فقط على جسيم واحد، وتحليل شحنته، ومعرفة كيف تغير الرطوبة شحناته”. “لكننا لم نصل إلى هذا الحد أبدًا. لقد اكتشفنا أن الليزر الذي نستخدمه هو نفسه يشحن جزيئات الهباء الجوي لدينا.”

كيف يطلق الضوء الإلكترونات

واكتشفت العالمة وزملاؤها أن أشعة الليزر تشحن الجسيم من خلال “عملية ثنائية الفوتون”.

عادة، تكون جسيمات الهباء الجوي قريبة من الشحنة المحايدة، حيث تدور الإلكترونات (الكيانات سالبة الشحنة) في كل منها. ذرة من الجسيم. تتكون أشعة الليزر من الفوتونات (جسيمات الضوء التي تنتقل بسرعة الضوء)، وعندما يتم امتصاص اثنين من هذه الفوتونات في وقت واحد، فإنها يمكن أن “تطرد” إلكترونًا واحدًا من الجسيم. بهذه الطريقة، يكتسب الجسيم شحنة موجبة عنصرية واحدة. وخطوة بخطوة، تصبح مشحونة بشكل إيجابي بشكل متزايد.

بالنسبة إلى ستولنر، يعد الكشف عن هذه الآلية اكتشافًا مثيرًا يمكنها الاستفادة منه في بحثها. “يمكننا الآن أن نلاحظ بدقة تطور جسيم واحد من الهباء الجوي أثناء شحنه من محايد إلى مشحون للغاية وضبط قوة الليزر للتحكم في المعدل.”

تكشف هذه الملاحظة أيضًا أنه عندما يصبح الجسيم مشحونًا بشحنة موجبة، فإنه يبدأ في التفريغ، مما يعني أنه يطلق الشحنة أحيانًا على شكل رشقات نارية عفوية.

وفوق رؤوسنا، قد يحدث شيء مماثل أيضًا في السحب.

الغيوم المكهربة وأصول البرق

تحتوي السحب الرعدية على بلورات ثلجية وكريات جليدية أكبر. وعندما تتصادم هذه، فإنها تتبادل الشحنات الكهربائية. وفي نهاية المطاف، تصبح السحابة مشحونة للغاية بحيث يتشكل البرق. تشير إحدى النظريات إلى أن الشرارة الصغيرة الأولى للصاعقة يمكن أن تبدأ عند بلورات الجليد المشحونة نفسها. ومع ذلك، فإن العلم الدقيق وراء ظاهرة تشكل البرق لا يزال لغزا. وفي الوقت نفسه، تشير النظريات البديلة إلى أن الأشعة الكونية تبدأ العملية حيث تتسارع الجسيمات المشحونة التي تنتجها من المجالات الكهربائية الموجودة مسبقًا. ومع ذلك، وفقًا لستولنر، فإن الفهم الحالي في المجتمع العلمي هو أنه – في كلتا الحالتين – يبدو المجال الكهربائي في السحب منخفضًا جدًا بحيث لا يسبب البرق.

يوضح ستولنر: “يسمح لنا إعدادنا الجديد باستكشاف نظرية بلورة الجليد من خلال الفحص الدقيق لديناميكيات شحن الجسيمات مع مرور الوقت”. في حين أن بلورات الجليد في السحب أكبر بكثير من تلك النموذجية، فإن علماء ISTA يهدفون الآن إلى فك تشفير هذه التفاعلات المجهرية لفهم الصورة الكبيرة بشكل أفضل. يقول ستولنر مبتسمًا: “تظهر بلورات الجليد النموذجية لدينا تفريغات، وربما يكون هناك ما هو أكثر من ذلك. تخيل لو أنها أنتجت في نهاية المطاف شرارات برق صغيرة جدًا، فسيكون ذلك رائعًا للغاية”.

المرجع: “استخدام الملقط البصري لاحتجاز وشحن وقياس شحنة الجسيمات الدقيقة في الهواء” 19 نوفمبر 2025، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/5xd9-4tjj

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل, يكتشف، و أخبار.