البرق والرعد

ظواهر فلكية ومعالم كونية
البرق، هو تفريغ كهربائي، لامع وساطع للغاية، يحدث في طبقات الجو بسبب تكون شحنات كهربائية وتوزعها في السحب الركامية (تشبه السندان)، أو الغيوم إلي تحدث فيها العواصف الرعدية.

تحدث الصواعق، أو البروق، في العواصف الرعدية، وذلك لأن عملية التجميد التي تحدث في الطبقات العليا، تفصل بين الشحنات الموجبة والسالبة المتكونة. وبسبب حركة الهواء إلى الأعلى والأسفل تتباعد الشحنات الكهربائية، ويحصل نتيجة لذلك تفريغ كهربائي بين تلك الشحنات المتباعدة إما بين الغيوم ذاتها أو بين الغيوم المشحونة والأرض.

يسخن الهواء القريب من مكان التفريغ هذا حتى 50 ألف درجة فهرنهايتية!، يعني أسخن من سطح الشمس ذاته !!. وفي الحقيقة فإن ضربة البرق هذه تحمل من الحرارة خمسة أضعاف حرارة الشمس ذاتها.

ومع التبريد والتسخين السريعين للهواء القريب من مكان صاعقة البرق هذه، تتولد موجة صدمة؛ حيث " ينفجر" الهواء القريب منها فعليا، وهذا الانفجار يدوي بصوت مروع عالي الشدة والقوة، وهو ما نعرفه بالـ "الرعد".

أظن أننا نتخيل جميعا أن البرق، كما هو مفهوم من الشرح، ينتقل من الغيوم إلى الأرض، لكن في الواقع المظاهر تغشنا أحيانا..

ففي الواقع ينتقل البرق – كتفريغ شحنات كهربائية – على شكل قناة غير مرئية من الغيوم العالية إلى الأرض، وعندما يقترب من أي جسم على الأرض فإن فيض من الطاقة الكهربائية ذاك يعود في تلك القناة ويصبح البرق مرئيا!.

وحتى لو لم يكن الجو ماطرا فإن خطر صاعقة البرق لا يزال قائما، فعادة يحدث أن يضرب البرق خارج الغيوم الثقيلة الماطرة، لكن من الممكن أيضا أن يضرب حتى بعد 10 أميال من مكان وجود الغيمة!.

وهنا، في حال حصول عاصفة البرق، لا تفيد الأحذية المطاطية أو البلاستيكية في شيء، لكن لو كنت داخل السيارة فالأفضل أن تبقى داخلها ولا تغادرها، حيث يعمل السطح المعدني الخارجي للسيارة على حمايتك من الخطر المحدق الخارجي.. إذ يعمل جسم السيارة المعدني على نقل هذه الكهرباء وتفريغها في الأرض ..
ومن المعلوم أيضا أن مانعة الصواعق، لا "تمنع" الصواعق! ، لكنها تسهل مرورها إلى الأرض بأمان حيث يتم تفريغها.

ولو حصل أن ضربت أحدهم صاعقة – عافانا الله وإياكم - فعلى الأغلب سيفقد حياته بسبب التفريغ المريع للطاقة الكهربائية تلك، لكن، لو بقي على قيد الحياة بفضل الله ورحمته، فلا تظن أنك لو أمسكته ستتكهرب !، فجسم الإنسان ليس بطارية حية متنقلة، وفي كل الأحوال يجب أن يتم التعامل السريع مع المصاب والقيام بالإسعافات الأولية خشية من تضرر القلب بتلك الصدمة..

أضف إلى معلوماتك :

بنجامين فرانكلين ... وقصته مع هذه الظاهرة:
لقد قام العالم والمخترع والناشر والسياسي الأمريكي بنجامين فرانكلين ( 1706 ـ 1790 ) ببيان العلاقة بين البرق و الكهرباء بتجربة خطرة جدا ...

ففي عام 1752 ، طير فرانكلين طائرة ورقية في أثناء عاصفة رعدية . فسرت الكهرباء عبر خيط الطائرة المبتل إلى مفتاح معدني كان في الطرف الآخر للخيط . وعندما قرب فرانكلين إصبعه من المفتاح ، قفزت شرارة عبر الفجوة بينهما ، فاستنتج أن كهرباء السحب هي التي سببت الشرارة ، وأن التفريغ البرقي هو نوع من الشرر .

وفي عام 1753 .. أعلن عن اختراع قضيب مانع الصواعق ..

نبذة عن قضيب مانع الصواعق:

ينتصب على أسطح معظم البنايات العالية قضيب يسمى " مانع الصواعق " يتصل بالأرض بموصل سلكي .

الشحنات السالبة في أسفل السحابة المقتربة تجتذب الشحنات الموجبة من الأرض ؛ فتتدفق هذه الشحنات على جزيئات الهواء صعدا إلى السحب حيث تبطل مفعول بعض الشحنات السالبة في السحابة . وقد يمنع هذا حدوث الصاعقة .

لكن إن لم يكن هذا كافيا وحصل تفريغ برقي فإن الكهرباء تسري عبر القضيب والموصل السلكي إلى الأرض دون حدوث أي أضرار .

إله الرعد :
كان " ثـــور " بضم الثاء إله الرعد عند الاسكندنافيين القدماء ؛ ويتمثل بتمثال برونزي من القرن العاشر في أيسلندا .

ويزعم أن كان رجلا ضخما أحمر شعر الرأس واللحية ذا قوة وقدرة هائلتين . فكانت سهامه البارقة تسقط الصواعق من السحب حسب اعتقادهم .

بينما في الأساطير الإغريقية كان" زيوس"، كبير الآلهة هو إله البرق والرعد، فالرعد هو صوته عندما يغضب والبرق سهامه التي يرشق بها الأعداء، والله أعلم من هم أعداؤه بالضبط!

ظاهرة البرق ظلت لغزاً محيراً للعلماء حتى النصف الأخير من القرن العشرين عندما تطورت أجهزة التصوير والمراقبة والقياس، وقد أنتج العلماء آلاف الأبحاث العلمية حول كهرباء البرق والعمليات الفيزيائية فيه.

وقد استطاع العلماء أخيراً بفضل التصوير فائق السرعة والمعالجة الرقمية للبيانات أن يثبتوا أن ومضة البرق الواحدة قد تتألف من عدة ضربات، وكل ضربة تتألف من عدة مراحل أو أطوار. وقد تم قياس الأزمنة لكل مرحلة بدقة كبيرة، ورؤية هذه المراحل، ولم يتحقق هذا إلا في نهاية القرن العشرين، وبداية القرن الحادي والعشرين.

أنواع البرق

قبل البدء بالتعرف على أسرار البرق وتفاصيله الدقيقة نود أن نعرِّف القارئ الكريم بأهم أنواع البرق والتي قد لا تخطر بباله، لبيان مدى تعقيد هذه الظاهرة والتنوع الكبير في ضربات البرق، فالبرق يمكن أن يضرب في أي مكان على الأرض أو في السماء.

يحدث البرق على عدة أنواع حسب مكان وجود الشحنتين الموجبة والسالبة. وقد دلّت الإحصائيات الحديثة أنه في كل ثانية هنالك مئة ضربة برق على سطح الكرة الأرضية (Uman,1984). وجميع هذه الضربات متشابهة من حيث آلية الحدوث وزمنه.

أكثر الأنواع شيوعاً وأهمية هو البرق الناتج من التقاء شحنتين متعاكستين بين الغيمة والأرض. فغالباً ما تكون الغيمة ذات شحنة سالبة عند الجهة القريبة من الأرض، أما سطح الأرض فيكون ذا شحنة موجبة، ويسمي العلماء هذا النوع "غيمة-أرض" أي Cloud-Groundواختصاراً يرمز لهذا النوع بالحرفين CG.

أما النوع الثاني فهو ما يحدث بين الغيمة وغيمة أخرى، وبما أن الوسط الذي تتجمع فيه الغيوم يمتلئ بالحقول الكهربائية فإن احتمال تلامس الشحنات المتعاكسة والتقائها كبير جداً، ولذلك فإن هذا النوع يمثل ثلاثة أرباع ضربات البرق، والتي تقدر كما قلنا بمئة ضربة في كل ثانية وذلك في مختلف أنحاء العالم. ويعرف هذا النوع ببرق "غيمة-غيمة" أي Cloud-Cloudويرمز له بالحرفين CC.

أما النوع الثالث فهو ما يحدث بين الغيمة والهواء. حيث تكون الغيمة محمّلة بشحنة كهربائية، والهواء المحيط بها من أحد جوانبها يحمل شحنة معاكسة. ويعرف هذا النوع بـ "غيمة-هواء" أي Cloud-Airويرمز له بالرمز CA.
البرق من الفضاء
البرق بين الغيمة وطبقات الجو العليا، ويحدث هذا البرق بين الطبقات العليا في الغيوم وبين طبقة الأيونوسفير والتي تحوي حقلاً كهربائياً، وقد أمكن رؤية برق كهذا بواسطة أجهزة التصوير المثبتة على الأقمار الاصطناعية (5)
وهنالك أنواع أخرى كثيرة نذكر منها ما يحدث داخل الغيمة ذاتها، وإذا علمنا بأن أية غيمة تحمل شحنة موجبة في أحد طرفيها، فلا بد أن تحمل شحنة سالبة في طرفها المقابل، وهكذا وفي ظروف العواصف الرعدية يحدث التلامس ويتحقق البرق الذي يضيء الأرض ولكنه لا يصل إليها.
هنالك أيضاً البرق الناتج بين غيمة وهدف على الأرض، مثل شجرة أو بيت أو عمود كهرباء. وفي جميع هذه الأنواع تتم المراحل ذاتها، بنفس المرور والرجوع لشعاع البرق، وبنفس السرعة ونفس الزمن.
كما أن العلماء يعددون أنواعاً لا يمكن إحصاؤها من البرق، مثل كرة البرق، والبرق الصيفي، وهو ما يحدث في أشهر الصيف، والبرق الموجب والبرق السالب، والبرق الصفائحي، وغير ذلك كثير(6). كما أن العلماء رصدوا ضربات برق على بعض الكواكب مثل المشتري وكانت أشد بمئة مرة من تلك الضربات على الأرض [2].

الغيوم الرعدية
إن البرق لا يحدث في أية غيوم، بل هنالك غيوم محددة يسميها العلماء بالغيوم الرعدية، وهي البيئة المناسبة لحدوث البرق، وقد تكون هنالك غيمة واحدة أو عدة غيوم وهو الأغلب. وهذه الغيوم تكون عادة ممتلئة بالحقول الكهربائية بسبب الرياح التي تسوق جزيئات بخار الماء وتدفعه للأعلى وتسبب احتكاك هذه الجزيئات بعضها ببعض مما يولد هذه الحقول الكهربائية. فنجد أن الغيمة تتجمع فيها بنفس الوقت شحنات سالبة وأخرى موجبة، وغالباً ما ترتفع الشحنات الموجبة للأعلى وتبقى السالبة في أسفل الغيمة من الجهة القريبة من الأرض.
إن ضربات البرق ما هي إلا تفريغ للكهرباء الموجودة على الغيوم، فلذلك يعمل البرق كصمام أمان، لأن هذه الشحنات العملاقة إذا زادت كثيراً فإنها تؤدي إلى تكهرب الجو بكامله؛ تماماً مثل البطارية إذا ظللنا نشحنها فإنها ستنفجر في النهاية. فسبحان الله!

حقائق وأرقام
ولكي نأخذ فكرة أوسع عن البرق الذي يحدث على الأرض نتأمل هذه الإحصائيات (7):
ـفي كل ثانية هنالك مئة ومضة برق في العالم.
ـوفي كل يوم هنالك 8,6 مليون ضربة برق.
ـوفي سنة واحدة يحدث في الولايات المتحدة الأمريكية فقط 20 مليون ضربة برق.
ـكل ومضة برق تولد توتراً يتراوح من 100 مليون وحتى 1000 مليون فولت.
ـكل ومضة برق تنتج تياراً من 10 آلاف أمبير وحتى 200 ألف أمبير.
ـإذا نظرنا للكرة الأرضية في أية لحظة نرى فيها 2000 عاصفة رعدية تحدث في نفس اللحظة.

العمليات الدقيقة داخل البرق
نعلم من قوانين الكهرباء أنه عندما تلتقي الشحنات المتعاكسة ينتج عنها ومضة أو شرارة كهربائية، وهذا ما يحدث في البرق. فالغيوم تتكون نتيجة تجمع جزيئات البخار المرتفع من الأرض، هذه الجزيئات تكون محمَّلة بشحنات كهربائية موجبة وسالبة نتيجة تفاعلها واحتكاكها واصطدامها، وكما قلنا غالباً ما تكون الشحنات السالبة في أسفل الغيمة من الجهة القريبة من الأرض، وذلك بسبب تأثير الجاذبية التي تقوم بدورها في توزيع الشحنات، وتكون الشحنة الموجبة في أعلى الغيمة، وهذا يحدث في ما يسمى بالغيوم الرعدية التي تسبب البرق دائماً.

إن الشحنة الكهربائية أو ما يسمى بالكهرباء الساكنة هي تماماً ما نحسّ به عندما نلمس قبضة الباب بعد احتكاك أقدامنا بالسجادة، أو عندما نلمس شاشة الكومبيوتر أحياناً فنحسّ بلدغة كهرباء خفيفة، وما هي إلا عبارة عن شرارة برق مصغرة! وعندما نجري تلامساً بين سلكين كهربائيين أحدهما موجب والآخر سالب فإننا نرى شرارة تتولد بينهما.

عندما يكون هنالك زيادة في عدد الإلكترونات ذات الشحنة السالبة فهذا يعني وجود حقل كهربائي سالب، أما عند زيادة عدد البروتونات الموجبة فهذا يعني وجود شحنة أو حقل كهربائي موجب.

وعندما تتجمع كميات مناسبة من الإلكترونات في أسفل الغيمة تنتقل هذه الشحنات السالبة بواسطة الهواء الرطب الموجود بين الغيمة وسطح الأرض، وتقترب من سطح الأرض ذي الشحنة الموجبة، ينطلق شعاع البرق القادم من الغيمة وتتشكل قناة دقيقة جداً في قاعدة الغيمة. وبسبب وجود حقل كهربائي بين الغيمة والأرض ينطلق ما يسميه العلماء الشعاع "القائد Leader" باتجاه الأرض، وهذا الشعاع الذي يمرّ ويخطو بخطوات متتالية هو أول مرحلة من مراحل البرق. وعندما يصل هذا القائد إلى الأرض وبفعل الحقل السالب الذي يحيط به يجذب إليه الشحنات الموجبة الموجودة بالقرب من سطح الأرض، وتتحرك هذه الشحنات الموجبة باتجاه الشعاع القائد وتصطدم به على ارتفاع عشرات الأمتار عن سطح الأرض، وتتشكل قناة اتصال بين الغيمة والأرض.

وعندها تنهار عازلية الهواء ويصبح ناقلاً للكهرباء ويتولد تيار كهربائي قوي ينير على شكل ومضة باتجاه الأعلى، ويدعى طور الرجوع Return Stroke ، وهذه الضربة الراجعة هي ما نراه فعلاً لأن معظم الضوء يتولد عنها. وهذه الضربة الراجعة تستغرق أقل من 100 مايكرو ثانية وتُنتج التيار الراجع والذي يقدر ب 30 ألف أمبير.

وبعد ذلك تمر فترة توقف مدتها من 20 وحتى 50 ميلي ثانية ثم تتكرر العملية من جديد باستخدام نفس القناة التي تم تأسيسها من قبل، وهكذا عدة ضربات. وقد تكون ومضة البرق مفردة أو متعددة حسب كمية الشحنات المتوفرة بين الغيمة والأرض، وحسب الظروف الجوية السائدة. وقد يصل عددها إلى عشر ضربات متتالية وسريعة ولكننا نراها ومضة برق واحدة ولا ندرك مرور ورجوع البرق بأعيننا (8).

قد يحدث العكس أحياناً، فتأتي الشحنة الموجبة من الغيمة باتجاه الشحنة السالبة للأرض، وتتولد الومضة الموجبة وهذه تكون وحيدة وعنيفة ولا يتبعها ضربات أخرى.

في أقل من نصف ثانية تحدث 3-4 ضربات برق كلها نراها في ومضة برق واحدة. ويمكن أن يصل التيار الناتج من الضربة الراجعة إلى 200 ألف أمبير، وتسير الضربة الراجعة بسرعة تصل إلى نصف سرعة الضوء (9).

البرق خطوة خطوة
1- يبدأ البرق بالخطوة الأولى المتمثلة بانطلاق شعاع يسميه العلماء بالقائد، Leaderوهذا الشعاع لا ينزل دفعة واحدة، بل يمرّ مروراً على شكل خطوات. وغالباً ما تكون شحنة هذا الشعاع سالبة أما شحنة الأرض فهي موجبة.

2- ثم تأتي الخطوة الثانية ليصل هذا الشعاع إلى هدفه على الأرض ويصطدم مع شحنتها الموجبة، ويحدث التصادم عادة فوق سطح الأرض على ارتفاع عشرات الأمتار.
3- أما الخطوة الثالثة ففيها يبدأ تدفق الشحنة السالبة من الغيمة باتجاه الأرض، وذلك على طول القناة التي أسسها الشعاع القائد.
4- فيما بعد تتم أهم خطوة وهي الضربة الراجعة من الأرض باتجاه الغيمة، ومع أننا نظن بأن البرق يتجه من الغيمة إلى الأرض، إلا أن الحقيقة هي أن الشعاع يتجه من الأرض راجعاً باتجاه الغيمة، ولكن سرعة العملية تجعلنا نرى العكس.
5- وأخيراً تنتهي ضربة البرق بصعود الشعاع الراجع إلى الغيمة، وتكون هنالك فترة توقف تقدر بعشرات الأجزاء من الألف من الثانية، ثم ترجع الضربة لتتكرر من جديد بنفس الخطوات، وهكذا يمكن أن تتكرر ضربة البرق عدداً من المرات لتعطي ومضة واحدة. وقد تم تسجيل 47 ضربة برق في ومضة واحدة، إن الزمن الفاصل بين الضربات هو عشرات الأجزاء من الألف من الثانية(11).
يعترف العلماء اليوم بأنهم لا يزالون يجهلون الكثير عن العمليات الفيزيائية التي تحدث داخل البرق والعواصف الرعدية، انظر مثلاً هذا البحث العلمي على الرابط(1):
http://www.aldis.at/research/index.html
(2) جاء في إحدى الدراسات الحديثة عن البرق: إننا لم نستطع رؤية أطوار البرق إلا عام 2000 عندما تمكنّا من تصنيع آلة تصوير تستطيع التقاط 1000 صورة في الثانية الواحدة. انظر المقالة على الرابط:
http://www.aldis.at/research/projects.html
(3) يمكن مراجعة المقالات الواردة حول علاقة البرق بأساطير الإغريق على الرابط:
http://www.crystalinks.com/greekmythology.html
(4)يرجى الاطلاع على سلسلة مقالات شيقة ومبسطة على موقع وكالة ناسا حول مبادئ البرق، وذلك على الرابطين:
http://thunder.nsstc.nasa.gov/primer/
http://thunder.nsstc.nasa.gov/shuttle.html
(5) يمكن مراجعة هذه المعلومات من على هذا الرابط:
http://earthobservatory.nasa.gov/Study/aces/index.html
(6) انظر مقالة موسعة حول أنواع البرق على الرابط:
http://en.wikipedia.org/wiki/Lightning
(7) هذه الحقائق واردة على الرابط:
http://www.srh.noaa.gov/mlb/ltgcenter/ltg_facts.html
(8) يمكن مراجعة هذا المسرد المطوّل حول البرق وآلية تشكله على أحد المواقع المتخصصة في دراسات البرق والحماية منه على الرابط:
http://www.lightningeliminators.com/Lightning%20101/lightning_glossary.htm
(9) المعلومات من على الرابط:
http://www.educ.uvic.ca/Faculty/mroth/438/LIGHTENING/JASONS/Formation5.html
(10) يمكن مطالعة المبادئ المبسطة للبرق الواردة على الرابط:
http://www.srh.noaa.gov/srh/jetstream/lightning/lightning_max.htm
(11) مقالة حول البرق متوفرة على الرابط:
http://www.fma-research.com/Q&A.htm
وانظر أيضاً هذا البحث:
http://www.fma-research.com/Q&A.htm
بحث حول قياس مدة ومضات البرق وجاء فيه أن القياسات الحديثة تظهر مدة ومضة البرق (التردد العالي جداً) يستمر لعشرات قليلة من الميلي ثانية، على الرابط:
http://www.pa.op.dlr.de/eulinox/publications/finalrep/Thery1/Final_Report_Thery1a.html
حقائق عن البرق وفيها أن البرق بجميع أطواره الذهاب والإياب يستغرق عدة عشرات من الميلي ثانية. على الرابط:
http://home.earthlink.net/~jimlux/lfacts.htm
(12) في بحث موسع يحدد الزمن المنقضي خلال طرفة العين وسطياً 30-50 ميلي ثانية. على الرابط
http://www.freepatentsonline.com/4059348.html
وفي دراسة إحصائية فإن الزمن اللازم لطرفة عين هو 25 ميلي ثانية حسب الإحصائيات، وذلك على الرابط:
http://www.csgnetwork.com/timemath.html
(13) مقالة بعنوان "ما هو البرق" على الرابط:
http://www.srh.noaa.gov/mlb/ltgcenter/whatis.html
وجاء في إحدى المقالات "لا تستطيع العين التمييز بين الضربات المتتالية للبرق"، المقالة على الرابط:
http://www.lightningeliminators.com/Lightning%20101/lightning_glossary.htm
(14) يمكن مراجعة هذه المقالة على الرابط:
http://weathereye.kgan.com/cadet/lightning/glossary.html#thunder
المراجع من المقالات والأبحاث الجديدة على الإنترنت
يمكنك عزيزي القارئ الرجوع مباشرة إلى هذه المقالات والأبحاث المفيدة حول موضوع البرق، وأحدث ما وصل إليه العلماء من معلومات حول هذه الظاهرة، وذلك من خلال الروابط المذكورة:
1- مجموعة شيقة من المقالات على موقع وكالة الفضاء الأمريكية ناسا حول مبادئ البرق. هذه السلسلة متوفرة على الرابط: http://thunder.msfc.nasa.gov/
2- مقالة عن البرق على الرابط:
http://www.crystalinks.com/lightning.html
3- مقالة بعنوان: "أسرار صدمة البرق" على الرابط:
http://www.nytimes.com/library/national/science/071800sci-environ-lightning.html
4- مقالة بعنوان "درس في البرق" على الرابط:
http://www.srh.noaa.gov/abq/preparedness/ffwxwk.htm#Lightning%20-%20Frequently%20Asked%20Questions
5- مقالة بعنوان "ماذا يحدث عندما يلتقي البرق والإنسان" على موقع وكالة ناسا على الرابط:
http://science.nasa.gov/newhome/headlines/essd18jun99_1.htm
6- مقالة بعنوان "آلية الرعد" على موقع السلامة من البرق على الرابط:
http://www.lightningsafety.com/nlsi_info/thunder.html
7- مقالة بعنوان "الشحنات الموجودة في العواصف الرعدية والبرق" على الرابط:
http://www.ce-mag.com/archive/02/09/mrstatic.html
8- مقالة بعنوان "علم البرق" على موقع الفضاء:
http://www.space.com/scienceastronomy/lightning_backgrounder.html
9- دراسة حول تأثيرات البرق على موقع السلامة من البرق:
http://www.lightningsafety.com/nlsi_lhm/effect.html
10- معلومات مهمة حول البرق على الرابط:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/lightning2.html#c2
11- كذلك يمكن مراجعة المقالات المنشورة حول البرق ومراحل تشكله على الروابط التالية:
http://science.msfc.nasa.gov/newhome/headlines/essd24may99_1.htm
http://wwwghcc.msfc.nasa.gov/overview/lightning.html
http://science.msfc.nasa.gov/newhome/headlines/essd16jun99_1.htm
http://earthobservatory.nasa.gov/Study/aces/index.html
http://www.thomson.ece.ufl.edu/lightning/SGEB17.html
http://www.physicstoday.org/pt/vol-54/iss-11/p41.html
http://home.earthlink.net/~jimlux/lfacts.htm
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/ligseq.html