البرق

البرق هو الضوء المبهر الذي يظهر فجأة في قلب السماء في الأيام التي تسوء فيها أحوال الجو, وهو عبارة عن الضوء الناشئ نتيجة تصادم سحابتين أحدهما تحمل الشحنة الكهربائية السالبة والأخرى تحمل الشحنة الكهربائية الموجبة وبذلك ينتج عن التصادم شرارة قوية تصدر علي هيئة الضوء الذي نراه فجأة ثم يختفي في الأيام ذات الطقس السيء، كما أن هذا الضوء يعقبه صوت عالٍ قادم من السماء وهو ما يسمى بالرعد، والإثنان معاً يطلق عليهم اسم الصاعقة.

البحوث العلمية التاريخية

بنيامين فرانكلين (1706-1790) سعى لاختبار نظرية أن الشرار يتشارك في بعض التشابه مع البرق باستخدام البرج الذي كان يتم بناؤه في فيلادلفيا. في انتظار الانتهاء من البرج، حصل على فكرة استخدام جسم طائر مثل طائرة ورقية. خلال العواصف الرعدية التالية، والتي كانت في يونيو 1752، ذكر أنه رفع الطائرة الورقية في السماء، بمرافقة ابنه الذي يرافقه كمساعد له. على نهاية السلك قام بإرفاق مفتاح، وربطه مع صندوق بريد عن طريق خيط حريري. ومع مرور الوقت، لاحظ فرانكلين الألياف التي تم خسارتها تتمدد لخارج الخيط؛ ثم جلب يده بقرب المفتاح وقفزت شرارة. الأمطار التي سقطت خلال العاصفة قد أرهقت الخيط وجعلته موصل للكهرباء.

لم يكن بنجامين فرانكلين أول من يقوم بتجربة الطائرة الورقية. توماس فرانسوا ديلابارد وديلورس قاما بها في مارلي-لا-فيل في فرنسا قبل بضعة أسابيع من تجربة فرانكلين.^[1][2] في سيرة فرانكلين الذاتية المكتوبة بين عامي (1771-1788) والمنشورة لأول مرة في 1790، صرح فرانكلين أنه قام بالتجربة بعد تجربة الفرنسيين التي وقعت قبل اسابيع من تجربته، دون علم مسبق له في 1752.^[3]

بعد انتشار أخبار التجربة وتفاصيلها، قام البعض بمحاولة تكرار لها. مهما يكن، التجارب التي تتضمن استخداما لبرق تكون خطرة دائماً وتكون مميتة بشكل متكرر. إحدى أشهر حالات الوفاة المعروفة التي كانت في فترة مقلدين فرانكلين هو البروفيسور جورج ريتشمان من سانت بترسبرغ في روسيا. قام بتجهيز عدّة مشابهة لعدّة فرانكلين كان ينوي القيام بها في كلية العلوم عندما سمع صوت برق. ذهب وقتها إلى البيت مسرعاً ومعه حافر قوالب معدني لكي ينتهز الفرصة. وفقاً للشهود، عندما كانت التجربة قيد التجهيز، ظهرت كرت برق واصطدمت في رأس ريتشمان، مما أدى إلى وفاته.

على الرغم من أن التجارب في وقت فرانكلين أظهرت أن البرق يقوم بتفريغ الكهرباء الساكنة، كان هناك تغيير طفيف حيال فهم نظرية البرق (خصوصاً عن كيفية نشوءها) لمدة 150 عاماً.

الدفعات الجديدة من الباحثين الجدد يأتون من مجالات هندسة الطاقة: كما في خطوط نقل الطاقة الكهربائية دخلت حيّز الخدمة، يحتاج المهندسين معرفة الكثير عن البرقلتوفر حماية كافية للخطوط والمعدات. في 1900 قام نيكولا تيسلا بتوليد برق اصطناعي عن طريق استخدام ملف تيسلا كبير، مما يتيح من توليد تردد جهد عالي ضخم بما يكفي لإنشاء برق.

خصائص

 يضرب البرق بشكل متردد غالباً في جمهورية الكونغو الديموقراطية. جمعت البيانات بين 1995–2003 من محقق البصريات المتنقل ومن حساسات تصوير الصواعق.

متوسط الصاعقة التي تضرب محملتاً بالشحنات السالبة هو 30 كيلو أمبير، وتنقل ماقيمته خمسة كولومات و 500 جول من الطاقة. الصواقع الشديدة للبرق من الممكن أن تحمل ما قيمته 120 أمبير و 350 كولوم^[6]. الجهد الكهربائي متناسب مع طول الصاعقة.

أما متوسط الصاعقة التي تضرب محملتاً بالشحنات الموجبة، تحمل 300 أمبير من الطاقة الكهربائة، مايساوي عشرة أضعاف متوسط الصاعقة المحملة بالشحنات السالبة.

ليس فقط في حالة الانكسار الكهربائي في الهواء، يكون البرق في أوج تطوره، مع أنها توفر ماقيمته ثلاثة مليون فولت لكل متر. الحقول الكهربائية المحطية مطلوبة من أجل توالد وتنامي عملية البرق، والتي تكون أحد أو اثنين من القيمة الأساسية، أقل من مقاومة الانكسار الكهربائي. الجهد الكامل ينحدر داخل قناة لصاعقة معاكسة تطورت إلى حدٍ جيد، على حسب ترتيب المئات من الفولتات لكل متر بسبب شدة التأين للقناة، مما ينتج خروج قوة حقيقة تقدر بالميغا واط لكل متر لقوة صاعقة عكسية قيمتها 100 أمبير^[7]. متوسط العلو لمخرجات طاقة كهربائية لصاعقة واحدة، هو حوالي تيراواط (10¹² W) وتدوم مدة الضربة لثلاثين مايكروثانية^[8].

ترفع ضربة البرق درجة حرارة الهواء بشكل متزايد للأماكن الملاصقة للضربة إلى حدود 20,000 °م (36,000 °ف) - حوالي ثلاثة مرات درجة حرارة سطح الشمس. ويقوم حينها بضغط الأجواء الصافية المحيطة بالضربة وينتج مويجة صدمة أسرع من الصوت، والتي تضمحل إلى موجة صوتية والتي تسمع وتسمى بالرعد.

الضربة المعاكسة لصاعقة البرق تتبع شحن للقناة لما عرضة سنتيمتر (0.4 إنش).

الأماكن المختلفة لها جهود كهربائية مختلفة وتيارات مختلفة لمتوسط ضربات البرق. على سبيل المثال, في ولاية فلوريدا، والتي بها أكبر عدد مسجل لضربات البرق في الولايات المتحدة في فترة معينة خلال فصل الصيف، بها الكثير من الأراضي الرملية في بعض المناطق، وأخرى مليئة بالسماد الموصل. على قدر ما هي (ولاية فلوريدا) ممتدة على شبه جزيرة، فهي محاطة بمياه المحيط من ثلاث جهات. والنتيجة هي التطورات اليومية لهيجان الحدود للبحر والبحيرات والتي تتعارض وتنتج الكثير من العواصف الرعدية. الاختلاف في أية حالة للطقس ربما يؤدي إلى تجانس مستويات مختلفة للفولتات بين الغيوم والأرض. وجد علماء الناسا أن موجات الراديو التي تنتج بواسطة البرق هي منطقة صافية وآمنة في الحزام الإشعاعي المحيط بالأرض. هذه المنطقة تعرف بـ شِق (حزام فان ألن الإشعاعي)، والتي هي مرفأ آمن للأقمار الصناعية، وكأنها تعرض الحماية من إشعاعات الشمس الخطرة^[9][10][11].

سرعة البرق

تبلغ سرعة البرق بضعة عشرات إلى مئات من الكيلومترات في الثانية الواحدة (قد تصل إلى 250 كيلومتر في الثانية للقائد و100 ألف كيلومتر في الثانية للدارة المقصورة الراجعة من الأرض). يلبس البعض بين سرعة البرق وبين سرعة الضوء حيث يعتقدون بأنها نفس السرعة نظراً لما يرونه من إشعاع عبر مسار الصاعقة حيث يكون انتشار الأخير بسرعة الضوء.

تكون سرعة الذيل الأسفل التي تغادر سحابة إلى الأرض أكثر من غيرها عادة، مع ذلك لا زالت أقل بكثير من سرعة الضوء. لما كانت عملية التفريغ محتوية على إلكترونات تم فصلها عن ذراتها فإنها تتسارع تحت تأثير المجال الكهربائي الناجم عن فرق الجهد الكهربائي بين السحابة وبين الأرض. تصطدم هذه الإلكترونات بجزيئات وذرات أخرى في طريقها محررة إلكترونات أخرى، مخلفة بالتالي قناة من الهواء المتأين.

من ناحية أخرى فإن هذه العملية لا تتم دفعة واحدة وإنما على دفعات متتالية. يأخذ "القائد" -leader (أول ضربة للتفريغ البرقي) مجراه على مراحل، محدثاً برقاً على طول 30 متر تقريبا في كل مرحلة وبزمن مقداره حوالى ميكروثانية (جزء من مليون من الثانية). كما أن هناك فترة توقف تبلغ حوالى 50 ميكروثانية بين كل مرحلة والتي تليها.

عند اقتراب الشحنات من الأرض يحدث التحام بينها وبين الشحنات الصاعدة من الأرض مكونة قصر في الدائرة. تبلغ سرعة عودة البرق من الأرض نحو المنطقة المتأينة سرعات عالية قد تصل إلى ثلث سرعة الضوء، مخلفاً الجزء الأعظم من الضوء الوهاج.