هل تعلم أن البرق يطلق أشعة سينية؟

في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، لاحظ العلماء أن تفريغ البرق ينتج عنه أشعة سينية تتكون من فوتونات عالية الطاقة – وهو نفس النوع الذي يستخدم للتصوير الطبي. يستطيع الباحثون إعادة تكوين هذه الظاهرة في المختبر، لكنهم لم يتمكنوا من شرح كيفية وسبب إنتاج البرق للأشعة السينية بشكلٍ كامل.

الآن، بعد عقدين من الزمن، اكتشف فريق بقيادة ولادة بنسلفانيا آلية فيزيائية جديدة تشرح الأشعة السينية التي تحدث بشكلٍ طبيعي والمرتبطة بنشاط البرق في الغلاف الجوي للأرض.

لقد نشروا نتائجهم في 30 آذار في رسائل البحوث الجيوفيزيائية.

يمكن أن يلقى اكتشاف الفريق للضوء على ظاهرة أخرى أيضاً: الصدمة الصغيرة التي تشعر بها أحياناً عند لمس مقبض باب معدني. وهذا ما يسمى تفريغ الشرارة، يحدث عندما ينشأ فرق الجهد بين الجسم والموصل. في سلسلة التجارب المختبرية في الستينات، اكتشف العلماء أن تفريغ الشرارة ينتج أشعة سينية تماماً كما ينتج البرق. بعد أكثر من 60 عاماً، لايزال العلماء يجرون تجارب مخبرية لفهم آلية هدف هذه العملية بشكلٍ أفضل.

يتكون البرق من جزء من الإلكترونات النسبية التي تصدر دفعات مذهلة عالية الطاقة من الأشعة السينية مع عشرات من طاقات الإكترون فولت الضخمة التي تسمى ومضات أشعة غاما الأرضية (TGFs). ابتكر الباحثون محاكاة ونماذج لشرح ملاحظات TGF، لكن لا يوجد تطابق بين الأحجام المحاكاة والفعلية، وفقاً للمؤلف الرئيسي فيكتور باسكو، أستاذ الهندسة الكهربائية بولاية بنسلفانيا، قام باسكو وفريقه بنمذجة رياضية لظاهرة TGF لفهم أفضل لآلية حدوثها في الفضاء المدمج المرصود.

قال باسكو: “جميع عمليات المحاكاة كبيرة جداً عادة عدة كيلومترات ويواجه المجتمع صعوبة في التوفيق بين ذلك الآن والملاحظات الفعلية، لأنه عندما ينتشر البرق يكون مضغوطاً للغاية”، موضحاً أن قناة البرق الفضائية عادةً ما تكون على بعد عدة سنتيمترات مع نشاط تفريغ كهربائي ينتج عنه أشعة سينية تتوسع حول أطراف هذه القنوات حتى 100 متر في الحالات القصوى.

قال: “لماذا هذا المصدر مضغوط للغاية؟ لقد كان لغزاً حتى الآن. نظراً لأننا نعمل بأحجام صغيرة جداً فقد يكون لها أيضاً آثار على التجارب المختبرية مع تفريغ الشرارة الجارية منذ الستينات”.

قال باسكو أنهم طوروا تفسيراً لآلية تضخيم المجال الكهربائي لعدد الإلكترونات المؤدية لحدوث هذه الظاهرة. تنتشر الإلكترونات على ذرات فردية والتي تشكل الهواء لأنها تعاني من التسارع. عندما تتحرك الإلكترونات يتقدم معظمها إلى الأمام حيث يكتسبون الطاقة ويتشاطرون على غرار الانهيار الجليدي للثلج، مما يسمح لهم بإنتاج المزيد من الإلكترونات. ومع انهيار الإلكترونات تنتج الأشعة السينية التي تطلق الفوتونات للخلف وتنتج إلكترونات جديدة.

قال باسكو: “من ذلك، كان السؤال الذي أردنا الإجابة عليه رياضياً هو ما هو المجال الكهربائي الذي نحتاج إلى تطبيقه من أجل تكرار هذا فقط، لإطلاق ما يكفي من الأشعة السينية للخلف وللسماح بتضخيم هذه الإلكترونات المختارة؟”.

حددت النمذجة الرياضية عتبة المجال الكهربائي وفقاً لباسكو، والتي أكدت آلية التغذية المراجعة التي تضخم الانهيارات الثلجية للإلكترون عندما تنتقل الأشعة السينية المنبعثة من الإلكترونات للخلف وتوليد إلكترونات جديدة.

وقال باسكو: “تتفق نتائج النموذج مع الأدلة الرصدية والتجريبية التي تشير إلى أن TGFs تنشأ من مناطق مدمجة نسبياً من الفضاء مع مدى مكاني يتراوح من 10 إلى 100 متر”.

بالإضافة إلى وصف الظواهر عالية الطاقة المتعلقة بالبرق، قال باسكو أن العمل يمكن أن يساعد في نهاية المطاف بتصميم مصادر جديدة للأشعة السينية.

قال الباحثون أنهم يخططون لفحص الآلية باستخدام مواد وغازات مختلفة، بالإضافة إلى تطبيقات مختلفة لنتائجهم.