چگونه برق آسمان جرقه می‌زند؟
نوشته مری فیس
ترجمه جهانشاه میرزا بیگی
بنجامین فرانکلین با هوا کردن بادبادکش در خلال توفان تندری سال 1752 پدیده‌ای را اثبات کرد که به فکر بیشتر دانشمندان هم عصرش نرسیده بود. آن پدیده این بود که برق آسمان، در واقع، جرقه‌ای الکتریکی است. اما هنوز دانشمندان نمی‌دانند که این درخش‌های تماشایی از کجا و چگونه آغاز می‌شوند.
چرا یک ابر مواج ناگهان به یک مولد برق قوی تبدیل می‌شود و جرقه‌هایی به طول چندین کیلومتر در پهنه آسمان تولید می‌کند؟ معمای اصلی این است که چگونه در بخش‌هایی از یک جسم که در ابتدا از لحاظ الکتریکی خنثی است، بار مثبت و منفی فوق العاده زیادی ظاهر می‌شود؟
اما ظاهرا پیدا کردن جوابی برای این سوال خیلی مشکل‌تر از هوا کردن بادبادک است. ارل ویلیامز، زمین فیزیکدانی که در موسسه تکنولوژی ماساچوست، برق آسمان را مطالعه می‌کند، می‌گوید: «ابر تندری چنان عظیم است که به راستی نمی‌توان به آن دسترسی پیدا کرد.»
خیلی‌ها در راه این کوشش کرده‌اند. دانشمندان برای یافتن جواب این پرسش‌ها سوار بر بالون به سوی ابرهای توفانی به حرکت درآمده و خطر مرگ را به جان خریده‌اند؛ با هواپیما در داخل و در اطراف ابرهای تندری به پرواز درآمده و حتی از موشک برای ایجاد برق آسمان استفاده کرده‌اند. اما تمامی این اقدامات نگاهی اجمالی به آنچه در داخل یک ابر تندری می‌گذرد محسوب می‌شوند.
در اکثر موارد بلندی یک ابر تندری باید بیشتر از سه کیلومتر باشد تا برق تولید کند. همواره نواحی بالای ابر تندری فوق العاده سرد است؛ عموما هر چه ابر تندری بلندتر و قسمت بالای آن سردتر باشد، توفان شدیدتر است. هر ابر تندری با میدان‌های شدید الکتریکی و جریان‌های نیرومند رو به بالا و پایین هوا مشخص می‌شود. معمولا ناحیه با بار منفی در قسمت پایین قرار دارد، در حالی که بار ناحیه سرد بالا مثبت است. اگر این نامتوازنی بار الکتریکی به اندازه کافی شدید باشد بر ظرفیت عایق هوا غلبه می‌کند و به یک درخش برق منجر می‌شود. این درخش حاصل تخلیه الکتریسیته میان دو ناحیه با بار مخالف ابر، یا میان قسمت با بار منفی پایین ابر و بارهای مثبت روی زمین است.
اما چه چیز سبب می‌شود بارهای الکتریکی از هم جدا شوند؟ هر ابر تندری عموما باران تولید می‌کند، و به همین دلیل دانشمندان برای مدت‌ها فکر می‌کردند که رسوب عامل الکتریسیته‌دار شدن آن است. در اکثر نظریه‌های معروف، پدیده رسوب به این صورت است که قطرات درشت باران یا ذرات یخ به سمت پایین می‌روند و بار منفی با خود حمل می‌کنند. ذرات سبک‌تر، با بار مثبت، مثل قطرات ریز برف و بلورهای یخ، در قسمت بالای ابر جمع می‌شوند. میدان الکتریکی حاصل ممکن است درخش برق تولید کند (یا نکند).
ویلیامز محقق انستیتو تکنولوژی ماساچوست و راجر لرمیت از دانشگاه میامی برای اینکه ببینند بعد از جرقه برق تغییری در سرعت باران ایجاد می‌شود یا نه از رادار استفاده می‌کنند. استدلال آنها این است که اگر قطرات سقوط کننده باران عامل ایجاد انرژی الکتریکی ابر باشند، آن‌گاه باید بر ضد نیروهای الکتریکی جو حرکت کنند و در نتیجه سرعت سقوط آنها به سوی زمین کند شود. اما بعد از جرقه برق، میدان الکتریکی ضعیف می‌شود و قاعدتا باید سرعت سقوط رسوب بیشتر بشود. اما ویلیامز و لرمیت در اکثر توفان‌های تندری نشانی از تغییر ساعت نیافتند.
جان لاثام در دانشگاه منچستر، انگلستان، روایت دیگری از نظریه رسوب سقوط کننده را مطرح کرده است. در نظریه لاثام، فرایند اصلی ایجاد بار الکتریکی شامل برخورد دانه‌های کوچک تگرگ با بلورهای یخ یا قطرات فوق العاده سرد آب است. دانه‌های تگرگ ضمن سقوط خرد می‌شوند و تکه‌های یخ آنها، که بار مثبت دارند، در قسمت بالای ابر جمع می‌شوند، اما دانه‌های با بار منفی و سنگین‌تر تگرگ به سقوط خود ادامه می‌دهند و در قسمت پایین ابر تندری یک قطب منفی تشکیل می‌دهند.
اما اگر رسوب سقوط کننده انرژی الکتریکی را تامین می‌کند، چرا برق آسمان قبل از بارندگی و نه در خلال یا بعد از آن جرقه می‌زند؟ و چرا برق در معدود ابرهایی که دمای آنها بالاتر از نقطه انجماد است یا در توفان‌های گرد و غبار یا فوران‌های آتشفشان نیز دیده می‌شود؟
در نظریه برنارد و ونه‌گات از دانشگاه ایالتی نیویورک، در شهر آلبانی، بارهای هر ابر، در واقع، خارج از ابر تولید می‌شوند. بارهای مثبت اضافی جو به داخل نواحی بالای ابر مکیده می‌شوند و بارهای منفی جو بالا را جذب می‌کنند. بارهای منفی به ذرات ابر می‌چسبند و جریان‌های هوا به طور پیوسته ذرات ابر را به طرف نواحی پایین ابر جاروب می‌کنند. شاید جریان شدید هوای رو به پایین و رو به بالا ساز و کاری برای تشکیل بارها و جدا نگه داشتن آنها از همدیگر باشد.
اما در این نظریه نیز، مثل سایر نظریه‌ها، هیچ چیز قطع و یقینی نیست. ویلیامز، و ونه گات، و لاثام همه تصدیق می‌کنند که، قبل از تبیین برق آسمان، لازم است مطالب بیشتری در مورد ساز و کار داخلی یک ابر تندری بدانند. و اگر آنها این راز را کشف کنند، رازهای بیشمار دیگری هنوز پیش روی آنها وجود دارد. به عنوان مثال، هیچ کس نمی‌داند که چرا جرقه‌های برق این اشکال عجیب و غریب را به خود می‌گیرند، یا چرا برق آسمان بر روی خشکی بیشتر است تا بر روی دریا، یا چرا معمولا با اشیا بلند بر روی زمین برخورد می‌کنند، اما نه همیشه، و هزاران سوال دیگر از این نوع.
چاپ مقاله های «ناشناخته‌های علم» با این شماره به پایان می‌رسد. اما این مقاله‌ها به همراه ده‌ها مقاله دیگر در آینده‌ای نزدیک به صورت کتابی از سوی موسسه دانشمند چاپ و منتشر خواهد شد. در این کتاب، بسیاری از پدیده‌های رایج ولی در عین حال مرموز در رشته‌های علوم تندرستی، جانورشناسی، نجوم، زمین‌شناسی، فیزیک و ریاضیات، مورد بررسی قرار خواهند گرفت.