رعد و برق چطور ایجاد شده و چقدر می‌تواند بزرگ و گسترده باشد؟

رعد و برق یکی از قوی‌ ترین نیروهای طبیعی روی کره زمین محسوب می‌شود. با استفاده از ابزارهای نقشه‌نگاری پیشرفته مشخص شد صاعقه چقدر می‌تواند پرانرژی و بزرگ باشد.

در روز بیست و دوم اکتبر 2017 (سی مهر 1396) ابرهای طوفانی در مرکز ایالت متحده آمریکا تجمع کرده و یک رعد و برق بسیار بزرگ ایجاد کردند. این صاعقه به اندازه‌ای بزرگ بود که سرتاسر آسمان تگزاس، اکلاهما و کانزاس‌سیتی را روشن کرد! با در نظر گرفتن وسعت آسمان شهرهای روشن شده می‌توان دریافت این صاعقه، محیطی به طول 500 کیلومتر را روشن کرده است! این اتفاق به اندا‌زه‌ای بی‌سابقه بود که دانشمندان آمریکایی را به مطالعه درباره رعد و برق اخیر در مرکز ایالات متحده ترغیب کرد. دانشمندان آن را یک مگافلش نام‌گذاری کردند، چرا که در طول تاریخ، کمتر صاعقه‌ای با این اندازه ثبت شده است.

طول افقی صاعقه‌های متداول بین 1 الی 20 کیلومتر است. دست پیدا کردن به ابزارهای نقشه نگاری پیشرفته و جدیدتر طی سال‌های اخیر، ابعاد جدیدی از این نیروی طبیعی به روی انسان‌ها باز کرد و سبب شد بهتر قادر به ارزیابی قدرت و طول آن‌ها باشیم.

طی طوفان‌های سهمگین سال‌های اخیر در قسمت‌های مختلف ایالات متحده آمریکا، دانشمندان موفق شدند با ابزارهای پیشرفته جدید ارزیابی‌های دقیقی روی رعد و برق‌ها داشته باشند. نتایج، دود از سر آن‌ها بلند کرد، چرا که هرگز تصور نمی‌کردند یک صاعقه بتواند اینقدر بزرگ باشد! اما سوال اینجاست؛ یک صاعقه چقدر می‌تواند بزرگ باشد؟ آیا ممکن رعد و برقی با طول بسیار بیشتر از 500 کیلومتر، روزی در آسمان چند شهر یک کشور غرش کند؟ در صورت بزرگ شدن صاعقه تا این اندازه، بروز اتفاقات ناگوار بعدی بعید نیست.

رعد و برق چگونه ایجاد می‌شود؟

این قدرت طبیعی، وقتی بار مثبت و منفی، هر یک در قسمتی جداگانه، از ابرهای طوفانی جمع می‌شوند، ظاهر خواهد شد. با توجه به جمع شدن بار مثبت و منفی در دو قسمت ابرهای طوفانی، میدان‌های الکتریکی بینشان ایجاد می‌شود. وقتی قدرت میدان‌های الکتریکی در ناحیه‌ای از ابرهای طوفانی بیش از انداره زیاد شد، خود را در قالب صاعقه بروز خواهد داد. افزایش قدرت این میدان‌ها به اندازه‌ای است که هوا دیگر قادر به تحملشان نبوده و شکافته می‌شود.

با افزایش قدرت میدان الکتریکی، توان عایقی هوا از بین می‌رود. این توان به صورت عادی سبب می‌شود بارهای مثبت و منفی در قسمتی جداگانه نگه داشته شوند. دانشمندان تصور می‌کنند وقتی نیروی الکتریکی بیش از حد در ناحیه‌ای جمع می‌شود، شتاب حرکت الکترون‌های آزاد در هوا افزایش پیدا خواهد کرد. الکترون‌های آزاد به اتم‌ها و مولکول‌ها متصل نبوده و از طرفی با ضربه زدن به بقیه الکترون‌ها سبب می‌شوند آن‌ها نیز از اتم‌هایشان جدا شوند. این فرآیند همینطور ادامه پیدا کرده و الکترون‌های آزاد بیشتری با شتاب بالاتر، ایجاد می‌شوند. منظورمان از شکافته شدن هوا دقیقا همین موضوع است.

فرآیند ادامه پیدا کرده و کانالی بسیار داغ در هوا ایجاد خواهد شد. این کانال شبیه به یک سیم عمل می‌کند. با نزدیک شدن به دو سر این سیم، میزان بار مثبت و منفی افزایش پیدا می‌کند، همان بارهایی که در ابتدا شکافت هوا را سبب شدند. تجمع بار مثبت و منفی در دو سر سیم، رفته رفته در سرتاسر آن پخش شده و در نهایت، دو سر مثبت و منفی به یکدیگر متصل می‌شود. درست شبیه به زمان وصل شدن سر مثبت و منفی به یکدیگر در یک مدار عادی، جریان الکتریسیته‌ای قوی ایجاد خواهد شد. نتیجه خود را در قالب رعد و برق نشان می‌دهد. بر اساس گفته‌های یکی از دانشمندان آمریکایی مطالعه اخیر، می‌توان صاعقه را به چشم یک جرقه غول‌پیکر دید.

برخی مواقع، قسمت‌های پایین تر یک ابر، که معمولا بارهای مثبت را در خود نگه می‌دارند، شارژ کافی برای متوقف کردن کانال ندارند، به همین دلیل صاعقه همینطور بزرگتر شده و به سمت سطح زمین کشیده می‌شود. با بروز این اتفاق، یک جرقه رو به بالا از سمت زمین شکل می‌گیرد. در نتیجه رعد و برقی بزرگ با جریان الکتریسیته بسیار بالا ایجاد شده و مقداری از بار الکتریکی ذخیره شده در آن قسمت ابر را به زمین می‌رساند. کانال‌های ایجاد شده بین ابرها در آسمان و زمین، همان تصویری است که ما از صاعقه مشاهده می‌کنیم. این چنگالک‌های زنده واقعا به زمین برخورد می‌کنند!

چه فاکتورهایی اندازه این صاعقه‌های بزرگ را محدود می‌کنند؟

دانشمندان از چند دهه قبل در تلاش برای پاسخ دادن به این سوال هستند. از نظر عمودی، گستردگی رعد و برق بستگی به ارتفاع ابرهای طوفانی تشکیل‌دهنده آن از زمین دارد. به عبارتی فاصله، از سطح زمین تا قله ابرها است. به طور متوسط این ارتفاع حدود 20 کیلومتر برآورد می‌شود. گستردگی صاعقه از نظر حرکت افقی، بستگی به حجم ابرهای طوفانی دارند. هر چه وسعت آن‌ها بیشتر باشد، زمینه برای گسترش ابعاد رعد و برق بهتر فراهم خواهد شد.

در سال 1956، یک هواشناس با نام مایرون لیگدا (Myron Ligda) با استفاده از یک رادار توانست گسترده‌ترین رعد و برقی که تا آن روز بشر موفق به ثبتش شده بود را به تصویر بکشد. گستردگی آن حدود 100 کیلومتر بود. در سال 2007، یک صاعقه بر فراز آسمان ایالت اکلاهما آمریکا رکورد آن را شکست. محققان در این سال موفق به ثبت یک صاعقه به گستردگی 320 کیلومتر شدند. نتیجه یک تحقیق جدید روی داده‌های موجود از این صاعقه در سال 2007 نشان داد بعد از ظاهر شدن آن، محیطی به مساحت 68 هزار کیلومتر مربع روشن شد! اکنون می‌دانیم در سال 2017 رکورد این صاعقه بزرگ باز هم شکسته شد. بد نیست بدانید یک تحقیق که نتایج آن در ژورنال JGR Atmospheres منتشر شد، طول یک صاعقه دیگر را 670 کیلومتر اعلام کرد!

این نوع مگافلش‌ها نادر بوده و کمتر رخ می‌دهند، با این حال اکنون به خاطر در اختیار داشتن ابزارهای نوین، به طور پیوسته آن‌ها را کشف و ثبت می‌کنیم. در حال حاضر به جای اتکا به سیستم‌های زمینی که از طریق یک سری آنتن و رادار رعد و برق‌ها را کشف می‌کنند، دانشمندان طی سال‌های اخیر این نیروهای طبیعی را به روش دیگری مورد ارزیابی قرار داده‌اند؛ کمک گرفتن از ماهواره‌ها سبب شده به دید بهتری نسبت به طبیعت صاعقه دست پیدا کنیم.

هر دو رعد و برق بسیار بزرگ اخیر، یکی با گستردگی افقی 500 کیلومتر و دیگری 670 کیلومتر، با استفاده از یک تکنولوژی نوین به نام Geostationary Lightning Mapper ثبت شدند. با استفاده از این فناوری یک سنسور ایجاد و روی دو ماهواره در حال گردش دور زمین قرار داده شد. این دو ماهواره تصویری بسیار گسترده با اطلاعات فراوان از ابرهای طوفانی در اختیارمان قرار می‌دهند. سیستم مبتنی بر فناوری Geostationary Lightning Mapper به نور متصاعد شده از ابرها واکنش نشان داده و نقشه‌ای از آن‌ها تهیه می‌کند.

در ادامه اطلاعات جمع‌آوری شده توسط ماهواره‌های دارای سنسور Geostationary Lightning Mapper با اطلاعات به دست آمده توسط سیستم‌های زمینی ترکیب می‌شوند. این سیستم زمینی همکار، Lightning Mapping Array نام دارد. دانشمندان به این روش موفق شدند نقشه‌ای از رعد و برق عظیم اکتبر سال 2017 در مرکز ایالات متحده آمریکا ترسیم کنند.

با این حال هنوز دانشمندان به پاسخ دقیقی درباره چگونگی گسترش صاعقه تا این اندازه نرسیده‌اند. آن‌ها عقیده دارند اندازه ابرهای طوفانی مسبب رعد و برق یکی از عوامل تاثیرگذار است. هر چه این ابرها گسترده‌تر باشند، پتانسیل ایجاد صاعقه‌ای بزرگ در دل آن‌ها افزایش پیدا می‌کند. جریان‌های باد در مقیاس بزرگ، به سیستم ابرهای طوفانی کمک می‌کنند به یکدیگر اتصال پیدا کرده و زمینه برای ایجاد یک صاعقه بزرگتر بعد از تجمع آن‌ها فراهم شود.

بعد از ایجاد سامانه‌های ابری بسیار غول‌پیکر، تخلیه‌های الکتریکی مداوم خود را در قالب رعد و برق بروز خواهند داد. به عقیده محققان، اگر در یک بخش بزرگ از یک سامانه ابری، بار الکتریکی بیش از اندازه شود، شبیه به یک دومینو، تخلیه الکتریکی رخ می‌دهد. به عبارتی یک جرقه زمینه را برای جرقه‌های بعدی فراهم کرده و صاعقه پشت صاعقه نمایان خواهد شد. اگر فاصله‌ای بین دو تخلیه به وجود آمده و یکی از آن‌ها نتواند دیگری را فعال کند، به جای مگافلش، یک رعد و برق ساده را در آسمان شاهد خواهیم بود.

هر چه ابعاد سامانه ابرهای طوفانی بزرگتر باشد، فرصت برای تخلیه‌های الکتریکی پیاپی بهتر فراهم خواهد شد. به همین دلیل احتمال رخ دادن رعد و برق‌های بزرگ در سامانه‌های ابری گسترده بیشتر است. این بررسی‌ها نشان داد هنوز نمی‌توان عدد و رقمی برای بزرگی یک رعد و برق مشخص کرد و گفت حداکثر ابعاد و گستردگی یک صاعقه، این میزان خواهد بود. از این موضوع می‌توان نتیجه گرفت در آینده، احتمال دیدن صاعقه‌های با گستردگی بیشتر از 670 کیلومتر نیز وجود دارد، چنان چه احتمالا در طول تاریخ بارها چنین صاعقه‌هایی به زمین برخورد کرده ولی بشر به خاطر نبود ابزارهای لازم، قادر به ثبت آن‌ها نبوده است.

از مگافلش‌ها وحشت نکنید!

با وجود وحشتناک به نظر رسیدن مگافلش‌ها، خطر آن‌ها از صاعقه‌های عادی بیشتر نیست. به عبارتی گسترده‌تر شدن یک رعد و برق به معنی حمل انرژی بیشتر توسط آن نیست. از طرفی به خاطر گستردگی ابعاد ابرهای طوفانی ایجادکننده مگافلش‌ها، پیش‌بینی زمان وقوع آن‌ها کار دشواری محسوب می‌شود. ممکن است در نهایت، صاعقه‌ای بسیار دور از محل ایجاد آن به زمین برخورد کند.

یکی از پیش‌بینی‌های دانشمندان، افزایش تعداد مگافلش‌ها طی سال‌های پیش رو به خاطر تغییرات اقلیمی و گرم شدن زمین است. در نتیجه بیشتر چنین صاعقه‌های غول‌آسایی در آسمان مشاهده خواهیم کرد.