چرا مکانیسم رعد و برق همچنان مرموز و ناشناخته است؟

به گزارش مجله خبری نگار/جماران، مطالعه‌ای که اخیراً در مجله Geophysical Research Atmosphere منتشر شده است، یک مدل نظری ارائه می‌دهد که برای اولین بار، به طور جامع به این سوال پاسخ می‌دهد: رعد و برق چگونه در ابر‌ها شکل می‌گیرد؟

این مطالعه توسط پروفسور ویکتور پاسکو، فیزیکدان متخصص در پدیده‌های الکتریکی جوی در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، به همراه یک تیم بین‌المللی از دانشمندان رهبری شد.

محققان یک مدل ریاضی پیشرفته به نام "تخلیه بازخورد فوتوالکترونیکی" ارائه دادند که بر درک تعامل پیچیده بین پرتو‌های کیهانی، میدان‌های الکتریکی درون ابر‌ها و فوتون‌های پرانرژی مانند اشعه ایکس متکی است.

طبق مدل جدید، اولین گام در تولد رعد و برق زمانی آغاز می‌شود که ذرات پرانرژی معروف به پرتو‌های کیهانی از فضای بیرونی وارد جو زمین می‌شوند. این ذرات، که اغلب پروتون‌هایی هستند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند، با مولکول‌های هوا برخورد می‌کنند و الکترون‌های آزاد و پرانرژی تولید می‌کنند.

این الکترون‌ها به عنوان "الکترون‌های فراری" شناخته می‌شوند، زیرا می‌توانند تحت تأثیر میدان الکتریکی قوی در برخی از قسمت‌های ابر رعد و برق با سرعت بیشتری حرکت کنند.

این میدان معمولاً از جداسازی بار‌های الکتریکی بین بالا و پایین ابر ناشی می‌شود، فرآیندی که ناشی از حرکت کریستال‌های یخ و دانه‌های تگرگ در ابر‌های کومولوس است.

با شتاب گرفتن این الکترون‌ها در میدان الکتریکی، آنها شروع به برخورد شدید با مولکول‌های هوا می‌کنند و فوتون‌های اشعه ایکس با انرژی کافی برای جدا کردن الکترون‌های جدید از اتم‌های اطراف منتشر می‌کنند، فرآیندی که به عنوان اثر فوتوالکتریک شناخته می‌شود.

در اینجا مکانیسم "بازخورد" نهفته است. هر فوتون یک الکترون جدید آزاد می‌کند که به تولید برخورد‌های بیشتر و فوتون‌های اشعه ایکس کمک می‌کند و منجر به تجزیه زنجیره الکترونی می‌شود که بی‌ثباتی سریعی را در ابر ایجاد می‌کند. الکترون‌های آزاد با سرعت بیشتری تکثیر می‌شوند و بار‌ها در مکان‌های خاصی جمع می‌شوند. هنگامی که این تجمع به آستانه بحرانی می‌رسد، یک تخلیه الکتریکی عظیم ایجاد می‌شود. این همان چیزی است که ما به عنوان یک رعد و برق عظیم در سراسر آسمان می‌بینیم.

آنچه این مدل را متمایز می‌کند این است که هیچ جرقه خارجی یا پیچ اولیه‌ای را برای ایجاد رعد و برق در نظر نمی‌گیرد. در عوض، نشان می‌دهد که چگونه یک سیستم یکپارچه از تعاملات فیزیکی می‌تواند رعد و برق را از درون خود ابر ایجاد کند.

در اینجا عنصر "خودپایداری" مطرح می‌شود که تعامل فوتوالکترون را به نوعی موتور داخلی تبدیل می‌کند که زنجیره برخورد‌ها را تا زمان انفجار به شکل رعد و برق مرئی فعال نگه می‌دارد.

مطالعات قبلی

این مدل با نتایج مطالعات قبلی، به ویژه آنهایی که توسط فیزیکدان آمریکایی جوزف دوایر ارائه شده است، تلاقی دارد. در مجموعه‌ای از آزمایش‌های پیشگامانه که توسط دوایر و همکارانش در موسسه فناوری فلوریدا و بعداً در دانشگاه نیوهمپشایر انجام شد، این تیم از تکنیکی به نام "رعد و برق ناشی از موشک" استفاده کرد.

ایده این است که یک موشک کوچک مجهز به یک سیم فلزی نازک را به آسمان ابری پرتاب کنید تا جرقه رعد و برقی را به سمت زمین ایجاد کند و امکان مشاهده دقیق منشأ و توسعه رعد و برق را فراهم کند.

صاعقة برق تظهر فوق قباب الکرملین فی سوزدال، روسیا. ۲۳ أغسطس ۲۰۲۴ - REUTERS

در طول آزمایش‌ها، تیم تحقیقاتی از آشکارساز‌های تابش پیشرفته برای نظارت بر پرتو‌های ساطع شده از رعد و برق استفاده کردند. آنها انتشار پرتو ایکس قدرتمندی با انرژی‌هایی تا صد‌ها کیلوالکترون‌ولت (KeV) و همچنین جهش‌های انرژی نزدیک به ۱ مگاالکترون‌ولت (MV) را مشاهده کردند، سطوحی که برای چنین پدیده‌های جوی غیرمنتظره است.

برای کشف منبع این پرتو‌های ایکس، دوایر یک مدل نظری جدید به نام "مکانیسم بازخورد نسبیتی" ارائه داد. طبق این مدل، الکترون‌هایی که با سرعتی نزدیک به سرعت نور در میدان‌های الکتریکی شدید ابر‌ها حرکت می‌کنند، یک واکنش زنجیره‌ای را آغاز می‌کنند که ذرات اضافی تولید می‌کند. مانند فوتون‌ها و پوزیترون‌های پرانرژی یا پادالکترون‌ها که باعث ایجاد مجموعه‌ای از انفجار‌های میکروسکوپی به نام "فروپاشی الکترون نسبیتی" می‌شوند.

این تعاملات چیزی را تولید می‌کنند که به عنوان انفجار‌های پرتو گامای زمینی شناخته می‌شوند. اینها درخشش‌های بسیار کوتاهی هستند که به اندازه کافی قدرتمند هستند که توسط ماهواره‌هایی که صد‌ها کیلومتر بالاتر از سطح زمین در گردش هستند، شناسایی شوند.

در مطالعات دیگر، محققان ژاپنی تأیید کرده‌اند که این تعاملات درون ابر‌ها محدود به الکترون‌ها نیستند. آنها همچنین می‌توانند پوزیترون‌ها یا پادالکترون‌ها را تولید کنند.

این بدان معناست که رعد و برق - تحت شرایط خاص - می‌تواند ذرات ضد ماده تولید کند! این پوزیترون‌ها از طریق اندازه‌گیری‌های پرتو گاما که امضای آنها را دارند، شناسایی شده‌اند و نشان می‌دهند که برخی از فعل و انفعالات رخ داده در ابر‌ها مشابه واکنش‌های هسته‌ای مینیاتوری است که در بالای سر ما رخ می‌دهد.

علاوه بر این، مطالعات داده‌های ماهواره‌ای ناسا نشان می‌دهد که رعد و برق در واقع پالس‌های الکترومغناطیسی بسیار شبیه به شراره‌های خورشیدی تولید می‌کند. این امر از ایده مدل جدید مبنی بر اینکه رعد و برق نتیجه یک آبشار انرژی انفجاری در ابر‌ها است، نه یک تخلیه الکتریکی ساده، پشتیبانی می‌کند.

کشف این انرژی‌های پنهان همچنین نیازمند بهبود مدل‌های سنتی آب و هوا است، زیرا تعاملات نسبیتی درون ابر‌ها در پیش‌بینی‌های آب و هوای فعلی منعکس نمی‌شوند، و این امر گنجاندن آنها در مدل‌های پیش‌بینی طوفان و خطر را ضروری می‌سازد.

محققان می‌گویند که این مطالعه جدید می‌تواند درک ما از فیزیک رعد و برق را متحول کند و همچنین پدیده تابش‌های پرتو گامای زمینی را که بدون نور مرئی یا امواج رادیویی مشاهده می‌شوند، توضیح دهد. این امر علاوه بر کمک به درک عمیق‌تر از تعاملات ذرات پرانرژی در جو، دریچه‌ای به سوی بهبود سیستم‌های پیش‌بینی طوفان و توسعه تکنیک‌های نظارت هواشناسی می‌گشاید.