كيف ينشأ البرق؟
يمكن تعريف البرق بأنه هو التفريغ المرئي للكهرباء الذي يحدث عندما تكتسب منطقة من السحابة شحنة كهربائية زائدة، سواء كانت موجبة أو سالبة، وهذا يكفي لكسر مقاومة الهواء، بحيث عادة ما يرتبط البرق بالسحب التراكمية (السحب الرعدية)، ولكنه يحدث أيضًا في السحب الطبقية (السحب ذات الطبقات ذات المدى الأفقي الكبير)، وفي العواصف الثلجية والعواصف الترابية، وأحيانًا في الغبار والغازات المنبعثة من البراكين المنبعثة.
يحدث البرق عندما تصبح الشحنات الكهربائية المتراكمة في عاصفة رعدية كبيرة بدرجة كافية، بحيث تحدث تصريفات البرق بين مناطق الشحن المتقابلة، بين المناطق المشحونة والأرض، أو من منطقة مشحونة إلى الغلاف الجوي المحايد، وفي عاصفة رعدية نموذجية يحدث ما يقرب من ثلثي جميع التصريفات داخل السحابة، من السحابة إلى السحابة أو من السحب إلى الهواء، والباقي بين السحابة والأرض.
خلال العاصفة الرعدية يحدث البرق عندما تتطور مناطق الشحنة الزائدة الموجبة والسالبة داخل السحابة، وعادة يوجد حجم كبير من الشحنة الموجبة في المناطق العليا من السحابة، وشحنة سالبة كبيرة في المركز وشحنة موجبة صغيرة في المناطق السفلية، إذ توجد هذه الشحنات على قطرات الماء أو جزيئات الجليد أو كليهما.
في السنوات الأخيرة أصبح من الواضح أن البرق يمكن أن يبدأ أو ينطلق بشكل مصطنع في السحب التي لا تنتج عادة تصريفات البرق الطبيعية، إذ يمكن أن ينجم البرق عن جبل أو هيكل طويل عندما تكون عاصفة رعدية في سماء المنطقة، وهناك مجال كهربائي مرتفع في المنطقة المجاورة أو عندما تطير طائرة أو صاروخ كبير في بيئة عالية المجال.
كيف تحدث الصاعقة؟
يبدأ البرق من السحابة إلى الأرض من خلال عملية انهيار أولية داخل السحابة، تحدث عادةً بين المنطقة المركزية للشحنة السالبة والشحنة الموجبة الصغيرة تحتها، حيث تخلق هذه العملية قناة من الهواء المتأين جزئيًا، هواء يتم فيه تحويل الذرات والجزيئات المحايدة إلى جزيئات مشحونة كهربائيًا.
بعد ذلك يتشكل زعيم متدرج (ضربة صاعقة أولية) وينتشر إلى أسفل، متتبعًا القنوات التي تم إنشاؤها بواسطة عملية الانهيار الأولية، والقائد متفرّع للغاية في اتجاه انتشاره، إذ أن معظم القنوات الرائدة مشحونة سلبًا، وعندما يقترب القائد المتدرج من الأرض، يرتفع التصريف المتصاعد للأعلى للقطبية المعاكسة ويلتقي به عند نقطة عادةً حوالي 30 مترًا (100 قدم) فوق الأرض.
عند اكتمال التقاطع تكون السحابة متصلة بشكل فعال بالأرض، وتنتشر ضربة عودة ساطعة جدًا إلى السحابة بسرعة تبلغ ثلث سرعة الضوء تقريبًا متبعة القناة الرائدة، حيث يحتوي وميض البرق النموذجي على الأرض على ثلاثة أو أربعة متواليات من السكتات الدماغية العائدة للزعيم في تتابع سريع من حين لآخر، وعندما يكون هناك ضربة لجبل أو مبنى شاهق، يبدأ القائد الأول من الأرض وينتشر لأعلى.
يتراوح الفرق المحتمل بين السحابة والأرض من 10 إلى 100 مليون فولت، وتكون التيارات الذروة في ضربات العودة للقادة السالبة عادةً حوالي 30000 أمبير، بحيث درجات حرارة الذروة في قناة عودة الشوط في حدود 30،000 درجة مئوية (50،000 درجة فهرنهايت) العملية برمتها سريعة للغاية؛ وتصل ضربة القائد إلى الأرض في حوالي 30 مللي ثانية، حيث تصل ضربة العودة إلى مركز السحابة في حوالي 100 ميكروثانية.
علاقة البرق والرعد:
ينتج الرعد عن التسخين السريع للهواء في قناة البرق وما يترتب على ذلك من زيادة في ضغط الهواء، إذ يتسبب الضغط الزائد في تمدد القناة بسرعة تفوق سرعة الصوت، مما ينتج عنه في النهاية موجة صوتية تسمع على شكل رعد، ويتم إنتاج التصفيق واللفائف والدمدمة التي تميز صوت الرعد عن طريق الهندسة المعقدة والتعرجات لقناة البرق، بالإضافة إلى تأثيرات الغلاف الجوي والتضاريس المحلية على انتشار الصوت.
البرق هو خطر كبير على الطقس ويحدث بمعدل 50 إلى 100 تفريغ في الثانية في جميع أنحاء العالم، إذ يمكن استخدام قضبان الصواعق والموصلات المعدنية لحماية الهيكل عن طريق اعتراض وتحويل تيار البرق إلى الأرض بأكبر قدر ممكن من الضرر، وعندما يحتمل حدوث البرق، يُنصح الأشخاص بالبقاء في الداخل أو في السيارة، بعيدًا عن الأبواب والنوافذ المفتوحة وتجنب الاتصال بأي أجهزة كهربائية أو أنابيب المياه التي قد تتعرض للبيئة الخارجية.
توزيع البرق العالمي:
تظهر البيانات من الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض في المتوسط ، أن حوالي 80 في المائة من ومضات البرق تحدث فوق الأرض و 20 في المائة فوق المحيطات، إذ تميل وتيرة البرق فوق الأرض إلى الذروة في منتصف بعد الظهر بين الساعة 3:00 والساعة 6:00 مساءً بالتوقيت المحلي، والاتجاهات الموسمية في توزيع البرق هي نتيجة التغيرات في درجات الحرارة على سطح الأرض.
عادة ما تنتج الكتل الهوائية المدارية العواصف الرعدية والبرق، حيث يتطلب تطور العواصف الرعدية كتل هوائية رطبة وغير مستقرة نموذجية لتلك الموجودة في المناطق الاستوائية، إذ في هذه المنطقة تكون أشعة الشمس عمودية تقريبًا، مما يسمح لمزيد من الطاقة بالوصول إلى الطبقات الدنيا من الغلاف الجوي وتسخينها.
تضاف رطوبة وفيرة عندما يتحرك الهواء الدافئ فوق المحيط ويصبح رطبًا بالتبخر من سطح الماء الأساسي، ويبدأ تطور العواصف الرعدية بعد ذلك بحركة الهواء الصاعدة على سبيل المثال، بسبب التغيرات في ضغط الهواء أو تضاريس الأرض، إذ يتجاوز متوسط عدد الأيام التي يكون فيها الرعد المسموع 100 يومًا في السنة فوق مناطق من الأرض ضمن خط عرض 10 درجات شمال وجنوب خط الاستواء، وفي بعض مناطق أفريقيا الاستوائية وأمريكا الجنوبية، يوجد أكثر من 180 يومًا رعدًا في السنة المتوسطة.
في خطوط العرض العليا يعتمد تواتر العواصف الرعدية على طبيعة التضاريس، وكم مرة يغزو الهواء المداري الرطب المنطقة، وهو ما يحدث غالبًا في فصلي الربيع والصيف، إذ أن الحد الأقصى لنشاط العواصف الرعدية في نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي يقابله ستة أشهر تقريبًا، مع حدوث معظم العواصف الرعدية في نصف الكرة الشمالي بين مايو وسبتمبر وفي نصف الكرة الجنوبي بين نوفمبر ومارس.
تعتبر العواصف الرعدية سمة شائعة للرياح الموسمية الصيفية في أجزاء كثيرة من العالم، وخاصة جنوب آسيا، ومع ارتفاع درجة حرارة الإشعاع الشمسي في شبه القارة الهندية، إذ يتشكل تيار هوائي من المحيط إلى الأرض وينتقل الهواء الرطب غير المستقر من المحيط الهندي إلى الداخل، عندما يضطر هذا الهواء إلى الارتفاع على المنحدرات الشديدة لجبال الهيمالايا، حيث يتم إنتاج العواصف الرعدية الشديدة والأمطار بوفرة كبيرة.
في المناطق القطبية التي تبلغ حوالي 60 درجة من خطوط العرض، نادرًا ما تكون العواصف الرعدية غير موجودة، في هذه المناطق يكون الهواء بالقرب من السطح باردًا والجو مستقر بشكل عام، وهناك أيضًا عدد قليل من العواصف الرعدية في المناطق التي تهيمن عليها مراكز الضغط العالي شبه الدائمة، مثل جنوب كاليفورنيا، وفي هذه المناطق ينخفض الهواء القادم من الارتفاعات العالية ويتزايد حرارته، مما يقلل الرطوبة النسبية ويسبب التقسيم الطبقي المستقر للغلاف الجوي السفلي نتيجة لذلك، يتم إعاقة تطور العواصف الرعدية.
