آذرخش: جرقه عظیم آسمان
ابرها چگونه به یک باتری آسمانی تبدیل میشوند؟
برای درک آذرخش، اول باید بفهمیم منبع انرژی عظیم آن از کجا میآید. پاسخ درون ابرهای کومهای بارا (کومولونیمبوس)[2] نهفته است. درون این ابرهای طوفانی، جریانهای شدید هوای بالا رونده و پایین رونده دائماً در حال حرکت هستند. در این آشوب، ذرات کوچک یخ، قطرات آب و تکههای برف با یکدیگر برخورد و مالش مییابند.
این برخوردها مانند زمانی است که بادکنکی را به موهای خود میمالید و میبینید که به دیوار میچسبد. در هر برخورد، بار الکتریکی جابهجا میشود. ذرات سبکتر (معمولاً با بار مثبت) توسط جریان هوا به بالای ابر رانده میشوند و ذرات سنگینتر (با بار منفی) در بخشهای میانی و پایینی ابر جمع میشوند. به این ترتیب، ابر مانند یک باتری غولآسا قطبی میشود: قطب مثبت در بالا و قطب منفی در پایین.
این باتری آسمانی بر روی زمین زیر خود نیز تأثیر میگذارد. بار منفی پایین ابر، بارهای منفی سطح زمین را دفع و بارهای مثبت را جذب میکند. در نتیجه، زمین زیر ابر دارای بار مثبت میشود و میان ابر و زمین یک اختلاف پتانسیل الکتریکی[3] بسیار بزرگ—در حد 100 میلیون ولت یا بیشتر—ایجاد میشود. همه چیز برای یک تخلیه الکتریکی غولآسا آماده است.
سفر پرشتاب جرقه: از ابر تا زمین
هوا معمولاً یک عایق خوب است و از جریان برق جلوگیری میکند. اما وقتی اختلاف پتانسیل بین ابر و زمین از حد معینی (چندین میلیون ولت) فراتر رود، دیگر این عایق کارایی خود را از دست میدهد. در این مرحله، آذرخش طی مراحلی باورنکردنی و سریع رخ میدهد.
| مرحله | نام | شرح | مدت زمان تقریبی |
|---|---|---|---|
| 1 | پیشروی پلهای | بارهای منفی از ابر، مسیری زیگزاگ و منشعب را به سمت زمین کشف میکنند. هوای این مسیر یونیزه[4] و رسانا میشود. | 10 تا 30 میلیثانیه |
| 2 | شاخه صعودی | با نزدیک شدن پیشروی پلهای به زمین، بارهای مثبت از بلندیهای زمین (مثل درختان یا ساختمانها) به سوی آسمان جهش میکنند. | کوتاهتر از مرحله قبل |
| 3 | تخلیه اصلی (کوبش بازگشتی) | پس از اتصال دو مسیر، جریان الکتریکی عظیمی با سرعتی نزدیک به یکسوم سرعت نور از ابر به زمین جاری میشود. این همان نوری است که میبینیم. | 60 میکروثانیه |
| 4 | تکرار و پایان | اگر بار کافی در ابر باقی بماند، این چرخه ممکن است چندین بار (با سرعت بیشتر) تکرار شود که به صورت چشمک زدن دیده میشود تا بار ابر تخلیه شود. | کل فرآیند: حدود 0.2 ثانیه |
از جرقه موتور تا میله برقگیر: تخلیه الکتریکی در زندگی ما
آذرخش تنها نمونه تخلیه الکتریکی در مقیاس بزرگ نیست. نمونههای کوچکتر و کنترلشدهای از این پدیده در زندگی روزمره ما وجود دارد و حتی برای ما مفید هستند.
شاید مهمترین مثال، شمعک اجاق گاز یا شمع خودرو (شمع)[5] باشد. وقتی کلید اجاق گاز را میچرخانید، یک جرقه الکتریکی کوچک ایجاد میشود که گاز را آتش میزند. در موتور خودرو نیز شمعها با ایجاد جرقهای دقیق در زمان معین، مخلوط سوخت و هوا را منفجر و نیروی لازم برای حرکت خودرو را تولید میکنند. این جرقهها در واقع آذرخشهای بسیار کوچک و کنترلشده هستند.
اما از سوی دیگر، تخلیههای الکتریکی ناخواسته میتوانند خطرناک باشند. اتصالی سیمهای برق در پشت یک پریز یا یک اتصال شل میتواند باعث ایجاد قوس الکتریکی[6] شود. این قوس میتواند گرمای بسیار شدیدی ایجاد کند و دلیل بسیاری از آتشسوزیهای خانگی است.
برای مقابله با خطر آذرخش، انسانها از وسیلهای هوشمندانه به نام برقگیر استفاده میکنند. برقگیر یک میله فلزی نوکتیز است که در بلندترین نقطه ساختمان نصب میشود و با سیم ضخیمی به زمین متصل است. وقتی ابر باردار میشود، این میله با کمک نوک تیز خود، بارهای الکتریکی را به آرامی و به طور ایمن به داخل زمین هدایت میکند یا اگر آذرخش مستقیم بزند، مسیر امنی برای عبور جریان عظیم به سوی زمین فراهم میسازد و از آسیب به ساختمان جلوگیری میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: زیرا سرعت نور و صوت با هم بسیار متفاوت است. نور با سرعت حیرتآور 300,000 کیلومتر بر ثانیه حرکت میکند و تقریباً بلافاصله به چشمان ما میرسد. اما سرعت صوت در هوا تنها حدود 340 متر بر ثانیه است. بنابراین، صدای رعد زمان زیادی نیاز دارد تا مسافت بین ابر و ما را طی کند. میتوانید فاصله خود تا محل آذرخش را تخمین بزنید: به ازای هر 3 ثانیه تأخیر صدا، آذرخش حدود 1 کیلومتر از شما فاصله دارد.
پاسخ: خیر. بیشتر آذرخشها حتی در داخل یک ابر یا بین دو ابر رخ میدهند و ما آنها را به صورت روشنشدن کلی آسمان میبینیم. آذرخشهای ابر به زمین که بیشتر مورد توجه هستند، تنها بخشی از کل آذرخشها را تشکیل میدهند.
پاسخ: خیر. آذرخش یک پدیده طبیعی غیرقابل پیشگیری است که از قوانین فیزیک پیروی میکند. کاری که ما میتوانیم انجام دهیم، محافظت در برابر آن است؛ مانند نصب برقگیر روی ساختمانهای بلند، درختان باارزش یا دکلهای مخابراتی.
پاورقی
[1] تخلیه الکتریکی (Electric Discharge): جابهجایی ناگهانی بارهای الکتریکی بین دو نقطه با پتانسیل مختلف.
[2] ابر کومهای بارا (Cumulonimbus Cloud): ابرهای بلند و عمیق طوفانزا که عامل اصلی ایجاد رعد و برق هستند.
[3] اختلاف پتانسیل الکتریکی (Electric Potential Difference): که معمولاً با واحد ولت اندازهگیری میشود، عامل به حرکت درآمدن بارهای الکتریکی است. به زبان ساده، مانند اختلاف فشار آب است که باعث جریان آن میشود.
[4] یونیزه شدن (Ionization): فرآیندی که در آن اتمها یا مولکولها الکترون از دست میدهند یا به دست میآورند و به ذرات باردار (یون) تبدیل میشوند. هوا پس از یونیزه شدن رسانای جریان الکتریسیته میشود.
[5] شمع خودرو (Spark Plug): قطعهای در موتور خودرو که با ایجاد جرقه الکتریکی، سوخت را محترق میکند.
[6] قوس الکتریکی (Electric Arc): یک تخلیه الکتریکی پیوسته و با جریان بالا که از طریق یک گاز رسانا (پلاسما) اتفاق میافتد و نور و گرمای شدیدی تولید میکند.
