10 دقیقه
وقتی در یک آزمایشگاه چیزی «اشتباه» پیش می‌رود، گاهی درِ تازه‌ای باز می‌شود. دقیقاً همان اتفاق برای آندریا اشتلنر و تیمش رخ داد: رفتار غیرمنتظرهٔ یک ذرهٔ تنها و محبوس به‌شکل ناگهانی تبدیل به روشی جدید و با دقت بالا برای بررسی چگونگی آغاز رعد و برق در طبیعت شد. با استفاده از لیزرها به‌عنوان تله‌های نوری (optical tweezers)، پژوهشگران شارژهای میکروسکوپی و تخلیه‌های ناگهانی را مشاهده کردند که نسخه‌ای خردشده از یکی از قدیمی‌ترین معماهای علم جوی را بازتولید می‌کند.
چرا آغاز رعد و برق هنوز دانشمندان را شگفت‌زده می‌کند
رعد و برق تقریباً روزانه نزدیک به 9 میلیون بار کرهٔ زمین را روشن می‌کند و تخلیه‌های الکتریکی پدید می‌آورد که از دیرباز انسان را مجذوب کرده‌اند. با وجود کمپین‌های میدانی گسترده، اندازه‌گیری‌های هوابرد و تصویربرداری‌های پرسرعت، سازوکار آغازین یک ضربهٔ آذرخش در دل ابرهای طوفانی همچنان بهطور کامل حل‌نشده باقی مانده است. مواد پایه تا حدی شناخته شده‌اند: برخوردهای بین گراوپل (تگرگ نرم) و بلورهای یخ موجب جداسازی بارها می‌شود و میدانهای الکتریکی قوی در داخل طوفان ایجاد می‌کند. اما اغلب شدت میدان‌هایی که اندازهگیری می‌شوند، کمتر از آستانهٔ نظری لازم برای تبدیل هوا به یک رسانای الکتریکی هستند.
این اختلاف میان مشاهدات و تئوری باعث به‌وجود آمدن چندین فرضیه شده است. شاید حفره‌های بسیار کوچک از میدان شدید وجود دارد که از زیر دست ابزارها در می‌روند؛ شاید پرتوهای کیهانی لحظه‌ای ستونی از هوا را یونیزه کرده و زمینهٔ یک تخلیه را فراهم میکنند؛ یا ممکن است ذرات یخی خود در سطح میکروسکوپی تبادل بار داشته باشند که بهصورت آبشاری به بالا گسترش می‌یابد. همان‌طور که جوزف دواِر و مارتین یومن در 2014 اشاره کردند، یا اندازه‌گیری‌های ما از ابرها چیزی را از دست می‌دهد یا فهم ما از فیزیک تخلیه در طوفان‌ها کامل نیست. در نتیجه، مسائل مرتبط با الکتریسیته جوی، آذرخش، و شروع رعد و برق همچنان از مهم‌ترین چالش‌های پژوهش‌های ابرشناسی و فیزیک جوی محسوب می‌شوند؛ چرا که شناخت مکانیزم آغازین میتواند به پیش‌بینی بهتر رعد و برق، ایمنی هواپیماها و محافظت از زیرساخت‌های زمینی کمک کند.
چگونه لیزرها و یک ذرهٔ سیلیکا، آزمایشگاهی برای رعد و برق ساختند
اشتلنر، فیزیک‌دانی از مؤسسهٔ علم و فناوری اتریش (Institute of Science and Technology Austria)، در ابتدا به‌دنبال حل مسئلهٔ آذرخش نبود. او همراه با اسکات وایتوکایتیس و کارولین مولر از یک آرایش تلهٔ نوری استفاده کرد تا یک ذرهٔ سیلیکا زیرمیکرونی را در هوا محبوس کرده و بار الکتریکی آن را پایش کند. با افزایش تدریجی شدت لیزر، تیم مشاهده کرد که ذرهٔ خنثی میتواند بار مثبت بگیرد: جذب چندفوتونی (multiphoton absorption) در پرتو تله الکترونی را آزاد می‌کند و در نتیجه ذره بار خالص مثبتی پیدا می‌کند. این پدیده نشان می‌دهد که تحت تابش شدید لیزر، فرایندهای میکروسکوپی یونیزاسیون و انتقال بار میتواند رخ دهد؛ اتفاقی که بهصورت آزمایشی قابل کنترل و اندازهگیری است.
با انباشته شدن بار روی ذره، آن شروع به تاب‌خوردن در میدانهای نوری و الکتریکی متناوب تله کرد. این نوسانات با حساسیتی بسیار بالا اندازهگیری شدند و به محققان امکان داد تا حالت بار ذره را بهصورت پیوسته و با وضوح بی‌سابقه‌ای بخوانند. در برخی اجراها، اما، ذرهٔ باردار ناگهان از شدت نوسانش کاسته می‌شد — یک افت سریع بار که به آن «میکروتخلیه» (microdischarge) گفته شد. این رخداد سریع به‌دلیل شباهت مفهومی‌اش با آنچه ممکن است به‌عنوان بذر یک رهبر صاعقه (lightning leader) در مقیاس عظیم عمل کند، جذابیت زیادی دارد. به‌عبارت دیگر، یک فرایند میکروسکوپی تخلیه که بر ذره‌ای منفرد اثر می‌گذارد میتواند الگویی برای فهم نحوهٔ آغاز تخلیه‌های بزرگ در ابرها ارائه دهد، مشروط بر اینکه رابطهٔ بین شرایط آزمایشگاهی و شرایط واقعی جو به‌درستی برقرار شود.
یکی از «میکروتخلیه‌ها» که در آزمایشها مشاهده شد. در قسمت کوچک‌شده تصویر، تخلیه‌ای با بزرگی حدود 30e نشان داده شده است.
میکروتخلیه‌ها چه چیزهایی به ما می‌گویند — و چه چیزهایی نمی‌گویند
این سامانهٔ آزمایشی نسبت به روش‌های قدیمی در آزمایشگاه چند مزیت آشکار دارد. اول اینکه شارژگذاری بدون الکترودهای فلزی اندازهگیری می‌شود، به‌طوری که ذره آزادانه در هوا معلق است و رفتاری شبیه آئروسلها یا ذرات گرد و غبار در جو دارد. دوم اینکه میدانهای الکتریکی مورد استفاده نسبتا ضعیفتر هستند و به شرایط داخل ابرهای طوفانی نزدیک‌ترند تا بسیاری از آرایش‌های پیشین که از میدانهای بسیار قوی استفاده کردند. سوم و مهم‌تر، خوانش بار با وضوحی فوق‌العاده کار می‌کند: تیم میتواند تغییراتی در حد چند بار الکترون بنیادی (elementary charges, e) را تشخیص دهد. این دقت امکان دنبال کردن روند تجمع بار و شناسایی رویدادهای ناپایدار را فراهم می‌آورد.
با این همه، محدودیت‌هایی نیز وجود دارد. ذرات یخ — نه گرد و غبار سیلیکا — عمدتاً در الکتریفیکاسیون ابرها نقش دارند، و شکلهای پیچیده و شیمی سطحی آن‌ها میتواند انتقال بار را بهطور قابل‌توجهی تغییر دهد. نور خورشید و پرتو فرابنفش خورشیدی که وارد جو می‌شود بسیار ضعیفتر از لیزرهای آزمایشگاهی است، و در حالی که فرایندهای چندفوتونی تحت تابش شدید لیزر غالب می‌شوند، یونیزاسیون طبیعی توسط UV یا پرتوهای کیهانی ممکن است مسیرهای متفاوتی را دنبال کند. دن دانیل، فیزیک‌دانی از مؤسسهٔ علم و فناوری اوکیناوا، دقت فنی روش را تحسین کرد اما بر نیاز به ارتباط این میکروفیزیک با ذرات واقعیِ ابری مانند قطرات آب و بلورها تأکید نمود. از منظر روش‌شناختی، برقراری پل منطقی بین آزمایش‌های کنترل‌شده و شرایط متغیر و پیچیدهٔ داخل ابرها (شامل تغییرات رطوبت، توزیع اندازهٔ ذرات، دما و جریانهای هوایی) کاری ضروری اما چالش‌برانگیز است.
پیامدها برای الکتریسیتهٔ جوی و علوم سیارهای
حتی اگر ده الکترون به‌تنهایی هیچگاه یک آذرخش کامل ایجاد نکند، این آزمایشها پنجره‌ای میکروسکوپی به روی فرآیند تجمع بار و تخلیهٔ ناگهانی روی ذرات معلق در هوا باز میکنند. این موضوع اهمیت دارد چون آغاز رعد و برق احتمالاً به زنجیره‌ای از رویدادهای میکروسکوپی وابسته است که به جریانهای ماکروسکوپی تقویت می‌شوند. اگر تخلیه‌های تک‌ذره‌ای بتوانند توسط شرایط محیطی مانند رطوبت، فشار، اندازهٔ ذره یا ترکیب ماده تحریک شوند، آن‌گاه میتوان این محرک‌ها را مدل‌سازی، آزمایش و در داخل طوفان‌ها جستجو کرد. مدل‌سازی عددی که فرایندهای میکروسکوپی را درون دینامیک میکرو ابرها قرار دهد میتواند درک ما را از چگونگی پیدایش رهبرهای صاعقه و مرحلهٔ آغازین آذرخش به‌طرز قابل‌توجهی بهبود بخشد.
علاوه بر زمین، این رویکرد کاربردهایی در علوم سیارهای هم دارد. گرد و غبار سطح ماه تحت تابش فرابنفش خورشیدی و پلاسما بار میگیرد و ممکن است به سطح برخیزد؛ پدیده‌ای که میتواند ابزارها و ربات‌های سطحی را تحت تأثیر قرار دهد. دانستن اینکه چگونه دانههای بسیار کوچک بار می‌گیرند و بارشان را از دست میدهند به برنامهریزی مأموریت‌ها و عملیات سطحی روی ماه، مریخ و دیگر جهان‌های پوشیده از گرد و غبار کمک می‌کند. به همین ترتیب، روش‌های آزمایشگاهی که از الکترودها اجتناب میکنند و ذرات آزاد معلق را اندازه می‌گیرند، نزدیک‌تر به دینامیک آئروسلها و گرد و غبار در سراسر منظومهٔ شمسی هستند و میتوانند برای مطالعهٔ ذرات دنباله‌دار، تعامل گرد و غبار با سطوح فضانوردی و پدیده‌های الکتریکی سیارهای به‌کار آیند.
گام‌های بعدی برای پژوهش
اشتلنر و همکارانش در حال گسترش آزمایش‌های خود هستند تا بررسی کنند اندازهٔ ذره، رطوبت، فشار گاز و ترکیب ماده چگونه بر رفتار شارژ و تخلیه تأثیر می‌گذارند. آن‌ها برنامه دارند قطرات آب و ذرات یخ را هم به دام اندازند تا ببینند آیا میکروتخلیههای مشابه پدیدار می‌شوند یا خیر. اگر چنین تخلیه‌هایی در نمونه‌های شبیه‌سازی‌شدهٔ یخ یا قطرهٔ آب نیز رخ دهد، ارتباط نتایج با فرایندهای الکتریفیکاسیون ابرها و آغاز رعد و برق تقویت خواهد شد. تیم همچنین در حال بررسی محرک‌های تخلیهٔ خودبه‌خود است: آیا تغییر در حالات سطحی موجب آزادسازی بار می‌شود، آیا ناپایداری‌های مکانیکی عامل است، یا فروپاشی موضعی ناگهانی هوای اطراف باعث شکست دی‌الکتریک محلی و در نتیجه تخلیه می‌شود؟ این پرسش‌ها مستلزم ترکیب اندازه‌گیری‌های حساس الکتریکی، تصویربرداری سریع و مدل‌سازی مولکلولی و پلاسمایی است تا ساز و کارهای پایه‌ای روشن شوند.
پژوهشگران در اعلام نتایج خود محتاط‌اند تا اغراق نکنند. «ما نمی‌دانیم دقیقاً چگونه اتفاق می‌افتد، فقط بار اساساً خیلی سریع کاهش می‌یابد،» اشتلنر به همکارانش گفته است. «ما بسیار علاقه‌مندیم بفهمیم چه چیزی باعث این رویداد می‌شود، و این در واقع تقریباً همان سوال آغاز رعد و برق است، فقط در این مقیاس بسیار، بسیار کوچک.» این نوع احتیاط علمی نشان‌دهندهٔ احترام به مرزهای نتایج آزمایشگاهی و نیاز به تلفیق یافته‌ها با مشاهدات میدانی و مدل‌های نظری است.
دیدگاه کارشناسان
«دقت آزمایشگاهی در سطح یک ذره دقیقاً همان چیزی است که برای پر کردن شکاف بین مشاهدات در مقیاس ابر و فیزیک میکروسکوپی نیاز داریم،» دکتر لنا مورِنو، فیزیک‌دان جوّی و مروج علمی فرضی، می‌گوید. «اگر حتی تخلیه‌های نسبتاً کوچک در آنالوگ‌های واقع‌گرایانهٔ یخ یا قطرات رخ دهند، می‌توانیم شروع به ترسیم نحوهٔ تبدیل میکروفیزیک به رهبران ماکروسکوپی کنیم. این میتواند گامی بزرگ به‌سوی حل یک معمای دیرپای الکتریسیتهٔ جوی باشد.» چنین دیدگاه‌هایی نشان می‌دهد که چطور کارهای دقیق آزمایشگاهی میتوانند افق‌های جدیدی در فهم پدیده‌های پیچیدهٔ طبیعی باز کنند و بر اهمیت همکاری میان فیزیک‌دانان آزمایشگاهی، ابرشناسان و مدل‌سازان تأکید دارند.
فناوری‌های گسترده‌تر و چشم‌اندازهای آینده
تکنیک‌های مورد استفاده در مطالعه — تلهگذاری نوری، خوانش حساس بار و یونیزاسیون کنترل‌شدهٔ چندفوتونی — به‌سرعت در حال بلوغ هستند. این روش‌ها میتوانند برای مطالعهٔ شارژ آئروسلها در جوهای آلوده، شارژ دانههای دنباله‌دار، یا تعاملات گرد و غبار با سطوح فضاپیماها به‌کار روند. اگر تیم‌های میان‌رشته‌ای بتوانند یخ را در محیط‌هایی کنترل‌شده محبوس کنند و هم‌زمان تابش UV و معادل‌های پرتوهای کیهانی را تغییر دهند، فاصلهٔ بین آزمایشگاه و ابر میتواند بیش‌تر کاهش یابد. علاوه بر این، افزایش حساسیت در خوانش بار و پویش‌های تصویربرداری پرسرعت فرصت می‌دهد تا فرایندهای گذرا و گذارهای غیرخطی که شاید عامل آغازین تخلیه‌ها باشند، بهتر درک شوند.
فعلاً، پیوند بین تخلیه‌های میکروسکوپی القاشده با لیزر و ساختار عظیم الکتریکی یک ابر طوفانی هنوز در مرحلهٔ فرضیه و امیدبخشی است، اما چشم‌انداز نویدبخشی را نشان می‌دهد. این آزمایشها هنوز ادعای بازتولید آغاز رعد و برق را ندارند، اما مسیر آزمایشی جدیدی را پیش رو می‌گذارند: مطالعهٔ کوچک‌ترین جرقه‌ها ممکن است به‌تدریج بازسازی کند که چگونهِ شکل‌گیری بزرگ‌ترین آن‌ها آغاز می‌شود. ترکیب این نتایج با مشاهدات میدانی، مدل‌سازی چندمقیاسی و آزمایش‌های روی ذرات یخی واقعی میتواند در سال‌های آینده راهگشای درک بهتر آغاز رعد و برق و الکتریسیتهٔ جوی باشد.
منبع: sciencealert
نظرات
روداکس
وای این آزمایش عجیب و جذابه! اینکه یه ذره می‌تونه جرقه بزنه واقعا شگفت انگیزه، اما هنوز کلی کاره تا بتونن رعد واقعی رو بازتولید کنن...
ارسال نظر