رعد و برق همیشه برای ما آدم‌ها، چه دانشمند و چه غیر دانشمند، هم ترسناک بوده و هم جذاب. با اینکه پدیده خیلی رایجی به حساب میاد، اینکه دقیقا چه اتفاقی در جو میفته که یک آذرخش زده میشه، تا حد زیادی یک راز باقی مونده بود. اما به نظر میرسه تحقیقات جدیدی که انجام شده، داره سرنخ‌های مهمی به ما میده.
یک تیم از مهندس‌ها و هواشناس‌ها معتقدن که تونستن معمای چگونگی شکل‌گیری رعد و برق رو در بالای ابرها حل کنن. راه حل اونها از یک ابزار خیلی قدرتمند برای حل معماهای آب و هوایی میاد: مدل‌های ریاضی. مقاله‌ای که این مدل جدید رو توضیح میده و در تاریخ ۲۸ ژوئیه در «نشریه تحقیقات ژئوفیزیک» منتشر شده، جزئیات داخل ابرهای توفان‌زا رو درست قبل از وقوع رعد و برق شرح میده.
این تحقیق جدید میگه که داخل این ابرها، میدان‌های الکتریکی خیلی قوی به الکترون‌ها شتاب میدن. این فرایند یک جریان شدید از اشعه ایکس، الکترون و فوتون‌های پرانرژی تولید میکنه که در نهایت به شکل یک صاعقه بزرگ دیده میشه. علاوه بر این دیدگاه تئوری، محقق‌ها میگن که این مکانیزم منحصر به فرد میتونه راه رو برای ساخت منابع جدید اشعه ایکس هم باز کنه.
دانشمندها چطور به این نتیجه رسیدن؟
برای این مطالعه، یک تیم از مهندس‌ها و هواشناس‌ها یک مدل قبلی رو که شرایط فیزیکی تولید رعد و برق رو شبیه‌سازی میکرد، کامل‌تر کردن. نویسنده ارشد این مطالعه، ویکتور پاسکو، که یک مهندس برق در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا است، این مدل رو در سال ۲۰۲۳ توسعه داده بود. بعد از اون، تیم مدل ریاضی پیشرفته خودشون رو با مشاهدات میدانی که گروه‌های تحقیقاتی دیگه با استفاده از حسگرهای زمینی، داده‌های ماهواره‌ای و هواپیماهای جاسوسی در ارتفاع بالا جمع‌آوری کرده بودن، مقایسه کردن. اونها به طور ویژه روی شناسایی پدیده‌ای به نام «فلش‌های پرتو گامای زمینی» یا همون TGF تمرکز کردن. TGF ها انفجارهای نامرئی از اشعه ایکس و امواج رادیویی هستن که با رعد و برق در ارتباطن.
اونها متوجه شدن که الکترون‌های داخل ابرهای توفان‌زا وقتی توسط میدان الکتریکی مجبور میشن به اتم‌های نیتروژن و اکسیژن هوا برخورد کنن، فوتون‌های پرانرژی (یعنی همون اشعه ایکس) از خودشون ساطع میکنن. این اتفاق یک واکنش زنجیره‌ای یا به قول خودشون «بهمن» از الکترون‌های فوق‌العاده پرانرژی به راه میندازه که انرژی خودشون رو به الکترون‌های بیشتری منتقل میکنن و در نهایت، انفجاری از فوتون‌ها رو آزاد میکنن که ما اونها رو به شکل یک قوس نورانی ترسناک در آسمون میبینیم.
ویکتور پاسکو در بیانیه‌ای گفت: «این واکنش زنجیره‌ای فرار، علاوه بر اینکه در حجم‌های خیلی فشرده تولید میشه، میتونه با شدت‌های خیلی متغیری هم رخ بده». این تنوع در شدت میتونه توضیح بده که چرا بعضی از TGF ها «از نظر نوری کم‌نور و از نظر رادیویی ساکت» هستن. چون توزیع ناهموار این الکترون‌های پرانرژی اغلب با «سطوح قابل تشخیص اشعه ایکس» همراهه، در حالی که «انتشارات نوری و رادیویی خیلی ضعیفی» دارن.
این مدل جدید همچنین «اولین شبیه‌سازی‌های کاملا وابسته به زمان» رو ارائه میده که میشه اونها رو برای «رویدادهای مشاهده شده در ارتفاعات مختلف و مقایسه کمی با مشاهدات» به کار برد. به گفته زید پرویز، یکی از نویسندگان مقاله و دانشجوی دکترا در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، این مدل با مطالعات قبلی که معمولا فقط یک منطقه محدود و محلی از ابرهای توفان‌زا رو مدل‌سازی میکردن، فرق داره.
فلش‌های پرتو گامای زمینی (TGF) چی هستن؟
فلش‌های پرتو گامای زمینی یا TGF ها، انفجارهای خیلی کوتاه (کمتر از یک میلی‌ثانیه) از پرتوهای گامای پرانرژی هستن که در مناطق فعال توفان‌های تندری تولید میشن و با رویدادهای رعد و برق ارتباط زمانی دارن. این پدیده اولین بار در سال ۱۹۹۴ توسط رصدخانه پرتو گامای کامپتون کشف شد و بعد از اون توسط ماهواره‌های دیگه‌ای مثل RHESSI و AGILE و هر دو ابزار روی تلسکوپ فضایی فِرمی (GBM و LAT) هم شناسایی شد.
تخمین زده میشه که روزانه حدود ۵۰۰ تا TGF در سراسر جهان اتفاق میفته (یعنی به ازای هر هزار رعد و برق، یک TGF)، اما بیشترشون شناسایی نمیشن و این نرخ قطعی نیست. البته تخمین‌های جدیدتر نرخ بالاتری رو نشون میدن. با اینکه تصویربرداری دقیقی از پرتوهای گامای TGF انجام نشده، اما خیلی از اونها با یک رویداد رعد و برق در نزدیکی ماهواره همزمان بودن. این نشون میده که TGF ها با فرایندهای رعد و برق مرتبطن. تصویربرداری رادیویی دقیق از چند تا از این رویدادها نشون داده که منبع پرتوهای گاما در ارتفاع حدود ۱۰ تا ۱۵ کیلومتری قرار داره که یعنی کاملا داخل ابر توفان‌زا و در عمق جو زمینه.
مکانیزم اصلی: اثر فوتوالکتریک و بهمن الکترون‌ها
هسته اصلی این توضیح جدید، یک فرایند فیزیکی به نام اثر فوتوالکتریک (Photoelectric Effect) است. بذارید ساده بگیم جریان چیه:
- میدان الکتریکی قوی: داخل ابرهای توفان‌زا، میدان‌های الکتریکی شدیدی (بیشتر از ۱۰۰ کیلوولت بر متر) وجود داره.
- الکترون‌های فراری: این میدان‌ها باعث میشن الکترون‌ها با سرعتی نزدیک به سرعت نور به سمت بالا حرکت کنن و یک بهمن از الکترون‌های نسبیتی فراری به وجود بیاد.
- تولید پرتو گاما: وقتی این الکترون‌های پرسرعت به مولکول‌های هوا برخورد میکنن و منحرف میشن، پرتوهای گامای ترمزی (bremsstrahlung) از خودشون ساطع میکنن.
- بازخورد فوتوالکتریک: حالا بخش مهم ماجرا اینجاست. بعضی از این پرتوهای گاما (اشعه ایکس) که تولید شدن، در جهت مخالف حرکت الکترون‌ها (یعنی به سمت عقب) حرکت میکنن. این پرتوها به مولکول‌های هوا برخورد میکنن و به خاطر اثر فوتوالکتریک، الکترون‌های جدیدی رو از اونها جدا میکنن. این الکترون‌های جدید خودشون تبدیل به الکترون‌های فراری میشن و به بهمن اصلی میپیوندن.
- تکثیر شدید: این چرخه بازخورد باعث تکثیر شدید و سریع الکترون‌ها میشه. این مکانیزم به قدری قویه که دیگه مهم نیست الکترون‌های اولیه از کجا اومدن؛ چه از پرتوهای کیهانی باشن و چه از تخلیه‌های استریمر.
این مدل نشون میده که شروع TGF ها به اندازه فضایی «منطقه استریمر» لیدر رعد و برق بستگی داره. وقتی اندازه منطقه استریمر لیدر منفی به یک آستانه مشخص (حدود ۱۰۰ متر در شرایط فشار هوای سطح دریا) میرسه، این تکثیر شدید الکترون‌ها به خاطر بازخورد فوتوالکتریک فعال میشه.
و اما یک کشف شگفت‌انگیز: پاد-ماده!
یکی از جالب‌ترین نتایج این فرایندها، تولید پاد-ماده است. وقتی پرتوهای گامای تولید شده در TGF به اندازه کافی به هسته اتم‌های هوا نزدیک میشن، یک فرایند به نام «جفت‌سازی» رخ میده. در این فرایند، پرتو گاما تبدیل به یک جفت الکترون و پوزیترون (یک ذره پاد-ماده) میشه.
این الکترون‌ها و پوزیترون‌های پرانرژی به فضا فرار میکنن و در امتداد خطوط میدان مغناطیسی زمین در یک پرتو باریک حرکت میکنن. وقتی یک ماهواره از بالای این منطقه عبور میکنه و با این پرتو پوزیترون برخورد میکنه، اتفاق جالبی میفته. پوزیترون‌ها با الکترون‌های داخل ماهواره و حسگرها برخورد کرده و نابود میشن (فرایند نابودی ماده و پاد-ماده). این نابودی یک جفت پرتو گاما با انرژی خیلی مشخص تولید میکنه: ۵۱۱ کیلوولت الکترون ولت (keV).
حسگر GBM روی تلسکوپ فِرمی میتونه پرتوهای گاما در محدوده ۱۰ کیلوولت تا ۴۰ مگاالکترون ولت رو تشخیص بده. این یعنی خط انرژی ۵۱۱ کیلوولتی نابودی الکترون-پوزیترون کاملا در محدوده حساسیت این ابزار قرار داره. به این ترتیب، GBM میتونه پرتو پاد-ماده رو به شکل یک جهش کوتاه از پرتوهای گاما در اون انرژی خاص تشخیص بده. این اولین باری بود که چنین پدیده‌ای مشاهده میشد.
یک مدل یکپارچه برای پدیده‌های مختلف
این مدل جدید فقط TGF ها رو توضیح نمیده. این مدل یک مکانیزم یکپارچه برای توضیح چند پدیده دیگه هم هست که قبلا به صورت جداگانه بررسی میشدن:
- پالس‌های فروپاشی اولیه (IBPs): پالس‌های اولیه‌ای که در شروع رعد و برق دیده میشن.
- رویدادهای دوقطبی باریک (NBEs): انفجارهای رادیویی کوتاه و قدرتمند.
- پالس‌های پرانرژی داخل ابر (EIPs): پالس‌های مرتبط با TGF ها.
مدل جدید میتونه شباهت‌ها و تفاوت‌های این رویدادها رو در ارتفاع‌های مختلف توضیح بده. مثلا میتونه توضیح بده چرا بعضی رویدادها ساکت و نامرئی هستن و بعضی‌ها با امواج رادیویی قوی همراهن. حتی میتونه پالس‌های ریزی رو که گاهی داخل شکل موج‌های IBP، NBE و EIP دیده میشه، توضیح بده. این پالس‌های ریز در واقع رشد بهمن‌های الکترونی نسبیتی جداگانه هستن. مشاهداتی هم وجود داره که نشون میده گاهی چند میلی‌ثانیه بعد از چند پالس TGF که از نظر نوری تاریک و رادیویی ساکت هستن، یک رویداد NBE کلاسیک اتفاق میفته که شروع رعد و برق رو نشون میده. این مدل برای این توالی زمانی هم یک فرضیه ارائه میده.
منابع
- [۱] How Does Lightning Start? New Research Provides a Groundbreaking Theory
- [۲] Photoelectric Effect in Air Explains Lightning Initiation and Terrestrial Gamma Ray Flashes – Pasko – 2025 – Journal of Geophysical Research: Atmospheres – Wiley Online Library
- [۳] Conditions for Inception of Relativistic Runaway Discharges in Air – Pasko – 2023 – Geophysical Research Letters – Wiley Online Library
- [۴] Fermi Gamma-ray Space Telescope: Exploring the Extreme Universe
دیدگاهتان را بنویسید