هر ابر رعد و برق چقدر انرژی با خود حمل می‌کند؟

برخورد رعد و برق به یک انسان، وی را تبدیل به خاکستر خواهد کرد! این اتفاق باید به خاطر حجم باورنکردنی برق ذخیره شده در ابر آذرخش رخ بدهد. دانشمندان به تازگی، به طور دقیق انرژی الکتریکی یک ابر رعد و برق را محاسبه کرده‌اند.

وقتی بنجامین فرانکلین (Benjamin Franklin) سال‌ها پیش، بعد از بستن کلید به یک کایت آن را روانه یک طوفان رعد و برق کرد، تبدیل به وسیله‌ای متصل به قدرتمندترین منبع تولید انرژی روی کره زمین شد! فرانکلین همچون بسیاری از مردم عادی می‌دانست آذرخش، انرژی بسیار زیادی با خود حمل می‌کند.

محققان حدود یک قرن است برای محاسبه میزان انرژی الکتریکی رعد و برق دست به کار شده‌اند، اما در این راه هرگز موفق نبوده‌اند. حتی پیچیده‌ترین سنسورهای هوابرد نیز برای این کار کافی نیستند، چرا که آذرخش‌ها از نظر ابعاد بسیار بزرگ بوده و همچنین به منظور محاسبه برق ذخیره شده درونشان، غیر قابل پیش‌بینی رفتار می‌کنند.

در یکی از مقالات اخیر منتشر شده در ژورنال Physical Review Letters، محققان هندی به جوابی شوکه‌کننده درباره این سوال دست پیدا کردند. آن‌ها برای پی بردن به جواب سوال، از اشعه‌های کیهانی کمک گرفتند.

محاسبه ولتاژ و انرژی یک ابر رعد و برق

آن‌ها با استفاده از آرایه‌ای از سنسورهای طراحی شده به منظور محاسبه میدان الکتریکی و شدت میوآن (Muon)، موفق شدند ولتاژ یک رعد و برق بزرگ، که اواخر سال 2014 برای حدود هجده دقیقه به زمین اصابت می‌کرد، را محاسبه کنند. گفتنی است میوآن، ذره سنگینی است که به طور دائم از اتمسفر بالایی کره زمین بر سر سیاره ما می‌بارد. آن‌ها در مسیر حرکتشان، به خاطر از دست دادن انرژی در سر برخورد با مواد مختلف، رفته رفته از بین رفته و متلاشی می‌شوند.

محققان هندی دریافتند به طور متوسط، آذرخش مورد بررسی آن‌ها دارای 1.3 گیگاولت انرژی الکتریکی بوده است. این میزان را باید 10 میلیون برابر ولتاژ یک پریز برق ساده دانست! به عقیده یکی از اعضای تیم، این میزان ولتاژ باورنکردنی دلیل قدرت تخریب بسیار بالای رعد و برق است. بر اساس گفته‌های وی، اگر بتوان این میزان انرژی را پراکنده کرد، در سطحی بسیار گسترده خرابی به بار خواهد آمد.

تیم تحقیقاتی نام برده بیشتر روی میوآن‌ها مطالعه می‌کنند. این ذره‌ها شبیه به الکترون بوده و در زمان برخورد اشعه‌های کیهانی به اتم‌های مختلف موجود در اتسمفر بالای کره زمین، ایجاد می‌شوند. سرعت چرخش میوآن نصف سرعت حرکت الکترون است، اما در مقایسه با آن، 200 برابر وزن بیشتری دارد. داشتن قدرت بالا به منظور نفوذ به ماده، یکی دیگر از ویژگی‌های این ماده به شمار می‌رود.

وقتی یک میوآن از اتسمفر به پایین سرازیر می‌شود، می‌تواند تا اعماق دریاهای روی سطح زمین و حتی چندین کیلومتر پایین‌تر از سطح سیاره حرکت کند. این اتفاق، کمتر از چند ثانیه زمان می‌برد. در واقع یک میوآن تا پیش از متلاشی شدن، با توجه به انرژی خود همینطور به حرکت رو به جلو ادامه می‌دهد. قدرت آن‌ برای ورود به دیگر مواد بی‌نظیر است!

یک میوآن وقتی چیزی بر سر راهش قرار می‌گیرد، انرژیش را از دست خواهد داد. به عنوان نمونه می‌توان به یک هرم اشاره کرد. در اوایل سال 2018، دانشمندان به وسیله قرار دادن چند ردیاب میوآن در اطراف هرم بزرگ جیزه و محاسبه مکانی که میوآن‌ها بعد از رسیدن به آنجا انرژی‌شان را از دست داده بودند، توانستند دو تالار جدید را در دل این هرم عظیم کشف کنند. میوآن‌های عبورکننده از دیوارهای سنگی هرم، انرژی بیشتری در مقایسه با ذرات عبورکننده از یک دالان بزرگ ولی خالی، از دست داده بودند. با استفاده از داده‌های به دست آمده از این تحقیق، دانشمندان موفق شدند بدون نیاز به وارد شدن به هرم جیزه، نقشه‌ای جدید از داخل آن تهیه کنند.

محققان هندی، از روشی مشابه به منظور محاسبه انرژی درون رعد و برق استفاده کردند. میوآن‌ها در اینجا به جای مقابله با دیواره‌های سنگی قرار گرفته در برابرشان، با یک میدان الکتریکی آشفته رو به رو شده بودند. طبق گفته‌های تیم تحقیقاتی، آذرخش‌ها دارای یک لایه شارژ شده به صورت مثبت در بالا و یک لایه شارژ شده به صورت منفی در پایین خود هستند. اگر یک میوآن شارژ شده به صورت مثبت حین عبورش از سمت اتمسفر به سمت سطح کره زمین، با ابر رعد و برق برخورد کند، با حرکتش مقابله شده و انرژیش را از دست خواهد داد.

به کمک آرایه‌ای از سنسورهای ردیاب میوآن و چهار دستگاه مانیتور میدان الکتریکی که به فاصله چندین کیلومتر از یکدیگر قرار گرفته بودند، محققان توانستند متوسط انرژی از دست رفته بین میوآن‌های عبور کرده از رعد و برق و همچنین آن‌هایی که به آذرش برخورد نکرده بودند را محاسبه کنند. بر اساس گفته‌های رئیس تیم تحقیقاتی، در سال 1920 پیش‌بینی شده بود یک ابر رعد و برق دارای پتانسیل الکتریکی در حد و اندازه گیگاولت است، اما این موضوع تا پیش از تحقیق اخیر اثبات نشده بود.

تهیه نقشه رعد و برق

بعد از این که محققان به پتانسیل الکتریکی رعد و برق پی بردند، پا را فراتر گذاشته و در پی محاسبه دقیق انرژی حمل شده توسط آن حین اصابتش به زمین، بر آمدند. آن‌ها با استفاده از داده‌های جمع‌آوری شده توسط مانیتورهای محاسبه میدان الکتریکی پراکنده در شهر، به اطلاعات بسیار مهم و مفصلی درباره ابر رعد و برق دست پیدا کردند. آذرخش مورد بررسی، در ارتفاع 11 کیلومتری از سطح دریا، نزدیک به 60 کیلومتر مسافت طی کرده بود. ابعاد کل ابر رعد و برق نیز چیزی حدود 380 کیلومتر مربع تخمین زده شد. حداکثر پتانسیل الکتریکی آن، 6 دقیقه بعد از ظاهر شدن آذرخش به دست آمد.

محققان با بهره بردن از این اطلاعات، دریافتند ابر رعد و برق مورد مطالعه آن‌ها چیزی حدود 2 گیگاوات انرژی با خود حمل می‌کرد. به این ترتیب، تنها یک ابر آذرخش، از قدرتمندترین نیروگاه هسته‌ای دنیا نیز نیرومندتر است! به ادعای رئیس تیم تحقیقاتی، انرژی ذخیره شده در یک ابر رعد و برق، برای تامین نیم ساعت برق شهر بسیار بزرگی همچون نیویورک کافی است، اگر انسان بتواند این حجم از انرژی افسارگسیخته را مهار کند!

به عقیده وی، با در نظر گرفتن سطح تکنولوژی امروزی، مهار رعد و برق و ذخیره کرده انرژی آن غیر ممکن است. انرژی یک آذرخش به حدی است که با برخورد به هر رسانایی، آن را ذوب خواهد کرد. به این ترتیب امکان هدایت کردن انرژی به منبعی دلخواه برای استفاده‌های بعدی، در حال حاضر وجود ندارد.