توصل باحثون إلى إمكانية إعادة إنتاج ظاهرة شبيهة بالبرق داخل قطعة صغيرة من البلاستيك في المختبر، بدلا من الاعتماد على العواصف الرعدية الضخمة لدراسة هذه الظاهرة الطبيعية المعقدة.

ووفق دراسة حديثة، يمكن توليد تفريغات كهربائية تشبه البرق داخل كتلة صغيرة من الأكريليك بحجم مجموعة أوراق اللعب تقريبا، ما يسمح للعلماء بدراسة فيزياء البرق في بيئة مخبرية خاضعة للتحكم.

أجرى هذه الدراسة فريق من الباحثين في Pennsylvania State University باستخدام نماذج رياضية ومحاكاة عددية متقدمة.

البرق لا يحتاج إلى سحابة عملاقة

لطالما اعتقد العلماء أن فهم آلية تشكل البرق يتطلب مراقبة سحب العواصف الرعدية الهائلة في الغلاف الجوي.

لكن الدراسة الجديدة تشير إلى أن الظاهرة نفسها يمكن أن تحدث على نطاق أصغر بكثير داخل مواد صلبة.

وأوضح الباحث الرئيسي فيكتور باسكو، أستاذ الهندسة الكهربائية في الجامعة، أن الفريق استخدم النماذج الرياضية نفسها المستخدمة لدراسة البرق في السماء، لكنه قام بتقليص حجم النظام إلى بضعة سنتيمترات فقط.

وأشار إلى أن توفير مصدر قوي للإلكترونات قد يسمح بإطلاق تفريغات كهربائية شبيهة بالبرق داخل مواد عازلة شائعة مثل:

الزجاج

الأكريليك

الكوارتز

كيف يتشكل البرق علميا

ينشأ البرق نتيجة ظاهرة فيزيائية تعرف باسم انهيار الإلكترونات المتسارع نسبيًا (Relativistic Runaway Electron Avalanche).

في هذه العملية تتسارع الإلكترونات داخل المجال الكهربائي للعاصفة بسرعة كبيرة، ما يؤدي إلى اصطدامها بجزيئات الهواء وتوليد تفاعل متسلسل من الطاقة.

وينتج عن هذا التفاعل ما يعرف بـ حلقة التغذية الراجعة الكهروضوئية التي تولد انفجارات قوية من الأشعة السينية وأشعة غاما، والتي قد تمتد أحيانًا إلى الفضاء.

وقد أظهرت المحاكاة أن هذه الظاهرة يمكن إعادة إنتاجها داخل مواد صلبة صغيرة في المختبر.

دور الكثافة في تقليص حجم الظاهرة

السبب الرئيسي الذي يسمح بتقليص ظاهرة البرق إلى هذا الحجم الصغير هو الكثافة العالية للمواد الصلبة مقارنة بالهواء.

فالمواد مثل الأكريليك أو الكوارتز أو جرمانات البزموت أكثر كثافة بحوالي 1000 مرة من الهواء.

هذه الكثافة العالية تسمح بتوليد جهود كهربائية هائلة داخل مساحة صغيرة جدا.

ووفق الحسابات التي أجراها الباحثون، يمكن الوصول إلى جهد كهربائي يصل إلى 100 مليون فولت داخل بضعة سنتيمترات فقط، بدلا من المسافات التي تمتد لعدة كيلومترات داخل السحب الرعدية.

كما أن هذه الظواهر قد تحدث بسرعة هائلة تصل إلى جزء من مليار من الثانية.

فهم أفضل لأسرار البرق

تشير نتائج المحاكاة إلى أن حزمة إلكترونات قوية يمكنها تشغيل نفس آلية التغذية الراجعة الكهروضوئية داخل المواد الصلبة، وهي الآلية نفسها التي تحدث في العواصف الرعدية.

وقد يساعد فهم هذه العملية بشكل أعمق في حل العديد من الألغاز العلمية المتعلقة بكيفية:

بدء البرق

انتقاله داخل الغلاف الجوي

توليد الإشعاع المرتبط به

تقليل تكلفة أبحاث العواصف

يوفر هذا النهج الجديد مزايا علمية وعملية مهمة.

ففي الماضي كان العلماء يعتمدون على طرق مكلفة وغير متوقعة لدراسة البرق، مثل إطلاق صواريخ نحو العواصف لجمع البيانات.

أما الآن فقد يصبح من الممكن دراسة الظاهرة داخل المختبر بدقة أكبر، مع القدرة على التحكم في المتغيرات الفيزيائية المختلفة.

إضافة إلى ذلك، قد يؤدي هذا التقدم إلى تطوير تقنيات أكثر أمانًا وصغرًا لإنتاج الأشعة السينية المستخدمة في:

التطبيقات الطبية

أنظمة الأمن والتفتيش

خطوة نحو حل لغز البرق

تشير الدراسة إلى أن فهم فيزياء العواصف قد يصبح أكثر سهولة عندما يمكن إعادة إنتاج هذه الظواهر على طاولة المختبر بدلًا من مراقبتها في السماء.

ورغم أن النتائج الحالية لا تزال تعتمد على المحاكاة النظرية، فإن تأكيدها تجريبيًا في المستقبل قد يساعد في كشف الكثير من أسرار البرق التي بقيت غامضة لسنوات طويلة.