عندما ربط بنيامين فرانكلين مفتاح طائرة ورقية وأدخلها في عاصفة رعدية ، أصبح لفترة وجيزة جهازًا متصلًا بأقوى مولد للطاقة على الأرض.
عرف فرانكلين ، كما يعلم معظم الناس ، أن العواصف الرعدية قوية بشكل لا يصدق. حاول الباحثون تقدير بدقة كيف قوية لأكثر من قرن ، لكنها دائمًا ما تكون قصيرة - حتى أجهزة الاستشعار المحمولة جواً الأكثر تعقيدًا غير كافية لأن السحابات الرعدية كبيرة جدًا ولا يمكن التنبؤ بها.
الآن ، في ورقة نشرت في 15 مارس في مجلة Physical Review Letters ، توصل الباحثون في Ooty ، الهند ، إلى إجابة جديدة صادمة - بفضل المساعدة الصغيرة من بعض الأشعة الكونية.
باستخدام مجموعة من المستشعرات المصممة لقياس المجالات الكهربائية وكثافة الميونات - وهي جزيئات ثقيلة تسقط باستمرار من الغلاف الجوي العلوي للأرض ، وتتحلل أثناء مرورها بالمادة - قام الفريق بقياس جهد سحابة رعدية كبيرة تتدحرج على Ooty لمدة 18 دقيقة في 1 ديسمبر 2014. وجد الباحثون أنه في المتوسط ، تم شحن السحابة بنحو 1.3 جيجا جول فولت من الكهرباء ، وهو 1.3 ضعف 10 ^ 9 فولت - ما يقرب من 10 مليون مرة من الجهد أكثر مما يتم توفيره بواسطة منفذ طاقة نموذجي في شمال امريكا.
وقال سونيل غوبتا ، الباحث المشارك في الأشعة الكونية بمعهد تاتا للبحوث الأساسية في الهند ، لـ "لايف ساينس": "يفسر هذا سبب كون السحابات الرعدية مدمرة للغاية". "إذا تبددت هذه الكمية الهائلة من الطاقة من خلال أي شيء ، فسوف يتسبب في دمار شديد."
إنها تمطر الميونات
يدرس غوبتا وزملاؤه في المقام الأول الميونات - وهي جسيمات تشبه الإلكترونات التي يتم إنشاؤها عندما تندفع الأشعة الكونية إلى ذرات مختلفة في الغلاف الجوي للأرض. تحتوي هذه الجسيمات على حوالي نصف دوران الإلكترونات ولكن وزنها 200 مرة ، وهي جيدة جدًا في اختراق المادة. يمكن للميون الذي يسقط من الغلاف الجوي أن يسافر عميقًا في المحيط أو الأميال تحت الأرض في جزء من الثانية ، طالما أن لديه طاقة كافية.
تفقد الميونات طاقتها عندما يقف شيء ما في طريقها - على سبيل المثال ، هرم ، على سبيل المثال. في أوائل عام 2018 ، اكتشف العلماء غرفتين غير معروفتين سابقًا داخل الهرم الأكبر بالجيزة من خلال إنشاء كاشفات الميون حول الهيكل وقياس حيث فقدت الجسيمات (ولم تفقد) الطاقة. فقدت الميونات التي تمر عبر الجدران الحجرية للهرم طاقة أكثر من الميونات التي تمر عبر الغرف الفارغة الكبيرة. سمحت النتائج للباحثين بإنشاء خريطة جديدة للهرم من الداخل دون وضع القدم بداخلها.
استخدم جوبتا وزملاؤه طريقة مماثلة لرسم خريطة الطاقة داخل سحابة الرعد Ooty. وبدلاً من مواجهة الحجر ، واجهت الميونات التي تقع في السحابة مجالًا كهربائيًا مضطربًا.
وقال غوبتا "العواصف الرعدية لها طبقة مشحونة إيجابيا في الأعلى وطبقة مشحونة سلبا في القاع." "إذا ضرب الميون ذو الشحنة الموجبة السحابة وهي تمطر من الغلاف الجوي العلوي ، فسيتم صدها وفقدان الطاقة."
باستخدام مجموعة من مستشعرات كشف الميونات وأربعة مراقبين المجال الكهربائي المنتشرين عبر عدة أميال ، قام الباحثون بقياس متوسط انخفاض الطاقة بين الميونات التي تمر عبر السحابة الرعدية وتلك التي لم تمر عبرها. من خسارة الطاقة هذه ، تمكن الفريق من حساب مقدار الطاقة الكهربائية التي مرت بها الجسيمات في سحابة الرعد.
كانت ضخمة.
قال جوبتا: "قدر العلماء أن السحابات الرعدية يمكن أن يكون لها إمكانات gigavolt في عشرينيات القرن العشرين ، ولكن لم يثبت ذلك أبدًا - حتى الآن".
رسم خريطة الرعد
بمجرد أن عرف الباحثون الإمكانات الكهربائية للسحابة ، أرادوا أن يخطوا خطوة أخرى ويقيسوا بدقة مقدار الطاقة التي حملتها السحابة الرعدية أثناء تحليقها فوق Ooty.
باستخدام البيانات من أجهزة المراقبة الميدانية الكهربائية المنتشرة على نطاق واسع ، ملأ الفريق بعض التفاصيل المهمة حول السحابة - التي كانت تسير بسرعة تقارب 40 ميلاً في الساعة (60 كم / ساعة) على ارتفاع 7 أميال (11.4 كيلومترًا) فوق مستوى سطح البحر ، تبلغ مساحتها التقديرية 146 ميلاً مربعاً (380 كم مربع ، وهي مساحة تعادل ستة أضعاف حجم مانهاتن) ، ووصلت إلى أقصى إمكاناتها الكهربائية بعد 6 دقائق فقط من الظهور.
وقال غوبتا إن الباحثين مسلحين بهذه المعرفة تمكنوا أخيراً من حساب أن العاصفة الرعدية تحمل حوالي 2 جيجاوات من الطاقة ، مما يجعل هذه السحابة المفردة أقوى من أقوى محطات الطاقة النووية في العالم.
وقال جوبتا "كمية الطاقة المخزنة هنا كافية لتزويد جميع احتياجات الطاقة لمدينة مثل مدينة نيويورك لمدة 26 دقيقة". "إذا يمكنك تسخيرها ".
مع التكنولوجيا الحالية ، هذا احتمال غير متوقع ، لاحظ غوبتا: كمية الطاقة التي تبددها مثل هذه العاصفة عالية جدًا لدرجة أنها قد تذوب أي موصل.
ومع ذلك ، يمكن أن تساعد الإمكانات القوية العنيفة للعواصف الرعدية في تسوية لغز كوني طالب به علماء مثل جوبتا وزملاؤه لعقود: لماذا تكتشف الأقمار الصناعية أحيانًا أشعة جاما عالية الطاقة تنطلق من الغلاف الجوي للأرض ، عندما يجب أن تمطر من الفضاء ؟؟؟
ووفقًا لجوبتا ، إذا كانت العواصف الرعدية يمكن أن تخلق بالفعل جهدًا كهربائيًا أكبر من جيجا جيجا فولت واحد ، فيمكنها أيضًا تسريع الإلكترونات بسرعة كافية لتفكيك الذرات الأخرى في الغلاف الجوي ، وتنتج ومضات أشعة غاما.
وقال جوبتا إن هذا التفسير يتطلب المزيد من البحث للتحقق من دقته. في هذه الأثناء ، تأكد من أن تندهش من السحابة الرعدية التالية التي تراها ، لأنها قوة هائلة لا يمكن فهمها للطبيعة - ومن فضلك ، فكر مرتين قبل أن تطير طائرة ورقية.
