السبت 18 يوليو 2026
كيف يبدأ البرق داخل السحب الرعدية؟ التفسير العلمي الكامل للشرارة الأولى
علماء في جامعة بنسلفانيا يفكون لغزًا عمره عقود حول بداية البرق، ويكشفون دورًا مفاجئًا للأشعة السينية
ماذا لو كانت ومضات جاما الغامضة في السماء تحمل سرًّا صغيرًا يشرح كيف يولد البرق من العدم؟
في اختراق علمي طال انتظاره، كشف فريق بحثي من جامعة بنسلفانيا عن الآلية الدقيقة لانطلاق الشرارة الأولى للبرق داخل السحب الرعدية. بالاستناد إلى نماذج فيزيائية متقدمة، أثبت الباحثون أن الحقول الكهربائية تُسرّع الإلكترونات لتولّد أشعة سينية تؤدي إلى انهيارات متسلسلة تُطلق التفريغ البرقي. هذا الاكتشاف يربط لأول مرة بين فيزياء الجسيمات عالية الطاقة وبداية البرق، ويمنح العلماء أداة جديدة لفهم العواصف والرصد المبكر لها.
حل لغز علمي طال انتظاره: كيف يبدأ البرق داخل السحب الرعدية؟
على مدى عقود، عرف العلماء آلية تشكّل ضربات البرق، لكن اللحظة الدقيقة التي تنطلق فيها الشرارة الأولى داخل السحب الرعدية بقيت لغزًا محيرًا. الآن يقترب الحل بفضل فريق بحثي بقيادة البروفيسور فيكتور باسكو، أستاذ الهندسة الكهربائية في كلية الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب بجامعة بنسلفانيا (Penn State). تكشف الدراسة المنشورة في 28 يوليو في Journal of Geophysical Research عن سلسلة تفاعلات قوية تشكل الشرارة الأولى لانبعاث البرق من منظور فيزيائي كمي يربط بين الأشعة السينية والحقول الكهربائية والانهيارات الإلكترونية المتسارعة داخل الغلاف الجوي.
تفسير كمي يربط الأشعة السينية بالحقول الكهربائية وبداية البرق
يقدم الفريق لأول مرة تفسيرًا كميًا متكاملًا لبداية البرق، موضحًا كيف تُسرّع الحقول الكهربائية القوية داخل السحب الرعدية الإلكترونات حتى تصطدم بجزيئات النيتروجين والأكسجين. ينتج عن هذه الاصطدامات انبعاث أشعة سينية وسلسلة من الإلكترونات والفوتونات عالية الطاقة، وهي البيئة الفيزيائية المناسبة لإطلاق الشرارة الأولى. هذا الربط المباشر بين ديناميكيات الحقل الكهربائي وأشعة إكس يضع أساسًا علميًا متينًا لفهم منشأ التفريغ الكهربائي داخل العواصف.
من الحقول الكهربائية إلى أشعة إكس: ولادة الشرارة الأولى داخل السحب
تُظهر الدراسة أن تسارع الإلكترونات داخل الحقول الكهربائية يقود إلى توليد فوتونات عالية الطاقة تُعزّز المزيد من الانهيارات الإلكترونية. تنتج العملية مزيجًا من الإشعاع السيني والفوتوني يعمل كآلية تغذية مرتدة تُسرّع نمو القنوات المتأينة التي تسبق التفريغ البرقي. وهكذا تتشكل البذرة الأولية للبرق من تفاعلات مجهرية متسارعة لا تُرى بالعين لكنها تقود إلى أحد أكثر الظواهر الطبيعية سطوعًا.
موضوعات مرشحة
الوميض الجاماوي الأرضي دليل ميداني على الانهيارات عالية الطاقة
يرتبط هذا السيناريو بظاهرة الوميض الجاماوي الأرضي (Terrestrial Gamma-Ray Flash)، وهي انبعاثات طبيعية شديدة الطاقة رُصدت ميدانيًا وترافقها أحيانًا إشارات راديوية قصيرة. يوضح الفريق أن الإلكترونات عالية الطاقة، والتي تُستحث جزئيًا بفعل الأشعة الكونية، تتضاعف داخل الحقول الكهربائية للعواصف، منتجة توقيعات أشعة إكس وومضات جاما يمكن قياسها، حتى عندما تكون الانبعاثات البصرية والراديوية ضعيفة.
نمذجة رياضية متقدمة تتوافق مع القياسات الأرضية والفضائية
اعتمد الباحثون على نماذج رياضية عالية الدقة لمحاكاة الظروف داخل السحب بحيث تتطابق مع الملاحظات الميدانية من أجهزة استشعار أرضية، وأقمار صناعية، وطائرات استطلاع على ارتفاعات شاهقة. يقول البروفيسور باسكو: «قمنا بمحاكاة الظروف التي لاحظناها ميدانيًا، وقدمنا تفسيرًا متكاملًا لانبعاثات الأشعة السينية والإشارات الراديوية داخل السحب. أظهرنا أن الإلكترونات المسرّعة بفعل الحقول الكهربائية القوية تنتج أشعة إكس عند اصطدامها بجزيئات الهواء، ما يطلق انهيارًا متسلسلًا للإلكترونات والفوتونات عالية الطاقة التي تشعل البرق».
موضوعات مرشحة
مساهمات طلابية ومواءمة مع البحوث السابقة لتعزيز الفرضية
ساهم الطالب الباحث زايد بيرفيز من قسم الهندسة الكهربائية في مواءمة نتائج النمذجة مع القياسات الميدانية، مستفيدًا من بيانات حملات أرضية وفضائية وجوية. كما قارن النتائج مع دراسات ونماذج سابقة، وخصوصًا أبحاثه حول نوع من البرق يُعرف بـ«التفريغ السحابي المدمج» (Compact Intercloud Discharges) الذي يحدث في مناطق صغيرة ومحصورة داخل السحب، ما أتاح اختبارًا نقديًا لمدى اتساق النموذج مع سيناريوهات متنوعة.
نموذج التفريغ الكهروضوئي الارتدادي: إطار يفسر بداية البرق وومضات جاما
يستند العمل إلى نموذج «التفريغ الكهروضوئي الارتدادي» (Photoelectric Feedback Discharge) الذي نشره باسكو وفريقه عام 2023، ويُحاكي الظروف المحتملة لبدء البرق. أتاح الباحثون معادلات النموذج في ورقتهم العلمية لتسهيل تكرار النتائج وتوسيعها من قِبل المجتمع العلمي. ولا يقتصر النموذج على تفسير الشرارة الأولى، بل يفسر أيضًا سبب ظهور ومضات جاما أرضية أحيانًا دون وميض ضوئي واضح أو انبعاثات راديوية قوية، وهي ميزات تُرى عادةً مع التفريغ البرقي في العواصف.
موضوعات مرشحة
سلسلة تفاعلات متسارعة في مناطق مظلمة داخل السحب الرعدية
بحسب باسكو، تولد الأشعة السينية الناتجة عن انهيارات الإلكترونات عالية الطاقة إلكتروناتٍ جديدة عبر التأثير الكهروضوئي في الهواء، ما يضخّم الانهيارات بسرعة. وبسبب حدوث هذه العمليات في مناطق صغيرة جدًا وبقوة متغيرة، قد تُنتج مستويات قابلة للرصد من أشعة إكس مع بقاء الانبعاثات الضوئية والراديوية ضعيفة. يفسر ذلك كيف يمكن لومضات جاما أرضية أن تصدر من مناطق تبدو باهتة بصريًا وصامتة راديويًا لكنها تحتضن نشاطًا كهربائيًا كافيًا لإشعال شرارة البرق.
آفاق البحث وتطبيقات الرصد الجوي المتقدمة
تفتح هذه النتائج الطريق لأبحاث مستقبلية تربط بين فيزياء الجسيمات عالية الطاقة وديناميكيات السحب الرعدية، مع إمكان تحسين أنظمة التنبؤ بالعواصف ورصد البرق عبر تتبع إشارات الأشعة السينية والجاما. كما يمنح نموذج التغذية الارتدادية الكهروضوئية إطارًا موحدًا لاختبار فرضيات جديدة حول توزيع الحقول الكهربائية داخل السحب، وتطوير أدوات قياس أكثر حساسية للكشف المبكر عن النوى التي تشعل التفريغ البرقي.
