کشف معمای منشأ صاعقه؛ آسمان زمین دراثر زنجیره‌ای از واکنش‌های فضایی برق‌دار می‌شود

دانشمندان پیش از این می‌دانستند که صاعقه، تخلیه الکتریکی بین ابرهای رعد و برق و سطح زمین است، اما اینکه چگونه ابرهای طوفانی می‌توانند میدان الکتریکی قدرتمندی به‌دست بیاورند که قادر به ایجاد صاعقه باشد، از قرن‌ها پیش به صورت معما باقی مانده بود. اکنون پژوهشگران با استفاده از مدل‌های کامپیوتری نشان داده‌اند که صاعقه نتیجه واکنش زنجیره‌ای قدرتمندی است که در فضای بیرونی آغاز می‌شود.

ویکتور پاسکو، نویسنده اصلی مطالعه و استاد مهندسی برق در دانشکده مهندسی برق و علوم کامپیوتر دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا در بیانیه‌ای گفت: «یافته‌های ما اولین توضیح دقیق و کمّی را در‌این‌باره ارائه می‌دهد که چگونه صاعقه در طبیعت آغاز می‌شود. این توضیح، ارتباط بین پرتو ایکس، میدان‌های الکتریکی و فیزیک بهمن‌های الکترونی را روشن می‌کند.»

ماهیت الکتریکی صاعقه در سال ۱۷۵۲ توسط بنجامین فرانکلین تأیید شد. در آن زمان، فرانکلین بادبادکی ساخت و به نخ آن سیم فلزی کوتاه متصل کرد. در انتهای نخ، کلید فلزی بست و نخ را با روبان ابریشمی در دست گرفت تا برق از آن عبور نکند. او در روزی طوفانی بادبادک را به هوا فرستاد. وقتی بادبادک به ابرهای طوفانی رسید، بار الکتریکی ازطریق سیم و نخ خیس به کلید فلزی منتقل شد. در نهایت، جرقه‌ی کوچکی از کلید به انگشت فرانکلین پرید.

دو نظریه رقیب برای توضیح چگونگی وقوع صاعقه وجود دارد: اولین نظریه، برق ساکن جوی است که فرض می‌کند اصطکاک بین توده‌های یخ در ابرهای طوفانی باعث جداشدن الکترون‌های منفی از اتم‌ها می‌شود؛ به طوری که این الکترون‌ها تجمع می‌یابند تا ذرات جو را یونیزه و به اندازه کافی الکترون آزاد ایجاد کنند که به صورت چندین مسیر منشعب، رهسپار زمین شوند.

در نظریه دوم، یونیزاسیون اولیه توسط پرتوهای کیهانی ایجاد می‌شود؛ یعنی ذرات زیراتمی با انرژی بالا (عمدتاً پروتون‌ها) که از فضای بیرونی به جو فوقانی برخورد می‌کنند. این پرتوها از خورشید، انفجارهای ستاره‌ای به نام ابرنواختر، ستارگان نوترونی پرسرعت به نام تَپ‌اخترها و منابع ناشناخته دیگری می‌آیند.

وقتی ذرات پرانرژی فضایی به جو زمین برخورد می‌کنند، باعث ایجاد شکست افسارگسیخته در میان الکترون‌ها می‌شوند؛ یعنی الکترون‌ها به‌قدری سرعت می‌گیرند که به مولکول‌های دیگر برخورد می‌کنند و باعث آزادسازی الکترون‌های بیشتر می‌شوند. این فرایند مثل بهمن الکترونی ادامه پیدا می‌کند و در نهایت رعد و برقی را شکل می‌دهد که به زمین برخورد می‌کند.

پژوهشگران در مطالعه جدید، داده‌های جمع‌آوری شده توسط حسگرهای زمینی، ماهواره‌ها و هواپیماهای جاسوسی در ارتفاعات بالا را گردآوری و این اطلاعات را با مدلی ریاضی تطبیق دادند که شرایط درونی ابر طوفانی پیش از وقوع صاعقه را شبیه‌سازی می‌کرد.

شبیه‌سازی‌های مدل، نظریه پرتو کیهانی را تأیید کرد و نشان داد که الکترون‌های تولیدشده توسط پروتون‌های پرسرعت که در امتداد خطوط میدان الکتریکی شتاب می‌گیرند، هنگام برخورد با مولکول‌های جو، مانند نیتروژن و اکسیژن تکثیر می‌شوند. این امر به بهمن الکترونی منجر می‌شود که فوتون‌های پرانرژی تولید می‌کند و به گفته پژوهشگران، این فوتون‌ها آغازگر صاعقه هستند.

پاسکو می‌افزاید: «این واکنش زنجیره‌ای در حجم‌های بسیار کوچکی رخ می‌دهد و شدت آن می‌تواند بسیار متفاوت باشد. گاهی این واکنش آن‌قدر قوی می‌شود که پرتوهای ایکس قابل شناسایی تولید می‌کند؛ اما چون نور و امواج رادیویی بسیار ضعیفی به همراه دارد، ممکن است منبع این پرتوها از بیرون تاریک و بی‌صدا به‌نظر برسد. این امر توضیح می‌دهد که چرا پرتوهای گاما می‌توانند از مناطقی ظاهر شوند که نوری دیده نمی‌شود و امواج رادیویی هم ندارند.»

یافته‌های مطالعه ۲۸ ژوئیه در مجله‌ی Journal of Geophysical Research: Atmospheres منتشر شد.