Discovery of a New Class of Optical Discharges in the Lower Atmosphere

تعد العواصف الرعدية من أقوى المحركات الطبيعية، حيث تضخ البرق، والموجات الراديوية، ودفقات من الجسيمات عالية الطاقة التي تهطل من السماء. لعقود من الزمن، عرف العلماء أن هذه العواصف تخلق مجالات كهربائية شديدة بالقرب من الأرض، وهي مجالات قوية لدرجة أنها تستطيع تسريع الإلكترونات إلى ما يقرب من سرعة الضوء. وعندما تصطدم هذه الإلكترات المتسارعة بجزيئات الهواء، يمكنها إنتاج ومضات ضوئية، وهي ظاهرة درسها الباحثون لسنوات. ومع ذلك، لا يزال الغلاف الجوي السفلي، وهو المساحة الواقعة مباشرة تحت سحب العاصفة حيث يعيش البشر ويتنفسون، يمثل حدوداً غامضة. وبينما تم رسم خرائط للمناطق العليا من العواصف بدقة، فإن الطرق المحددة التي يسلكها الكهرب في الفجوة الرقيقة بين قاعدة السحابة والأرض ظلت غير مستكشفة إلى حد كبير، مما ترك فجوة في فهمنا لكيفية بدء العواصف، وكيفية إطلاق طاقتها، وكيف يمكن أن تحفز صواعق البرق الهائلة التي نراها من بعيد.

قام فريق من الباحثين في محطة أراغاتس البحثية في أرمينيا، القابعة فوق هضبة بركانية شاهقة، الآن بإزالة طبقة من هذا الغموض. فمن خلال مراقبة السماء بمجموعة من الكاميرات المتزامنة، وأجهزة استشعار المجال الكهربائي، وكواشف الجسيمات، اكتشفوا فئة جديدة من التفريغات الضوئية التي كانت مختبئة في وضح النهار. هذه ليست صواعق البرق المتعرجة المألوفة التي تضرب الأرض، وليست أيضاً التوهجات الخافتة والواسعة الانتشار التي تُرى أحياناً فوق السحب. بدلاً من ذلك، حدد الفريق نوعين متميزين من الضوء الأزرق البنفسجي الذي يظهر مباشرة تحت السحب الرعدية، ووجدوا أن نوع الضوء يعتمد كلياً على اتجاه المجال الكهربائي فوق الأرض مباشرة.

تتكشف قصة هذا الاكتشاف من خلال عيون الكاميرات والمستشعرات في محطة أراغاتس، الواقعة على ارتفاع 3200 متر. هنا، غالباً ما تكون الأرض مغطاة بالثلوج، والهواء رقيقاً، لكن الدراما الحقيقية تحدث عندما تقترب سحب العاصفة وتنخفض، لتتحوم أحياناً على بعد 20 إلى 100 متر فقط فوق أجهزة المحطة. وخلال عدة حالات عاصفة شديدة بين عامي 2024 و2026، شاهد الباحثون السماء وهي تغير سلوكها استجابة للقوى الكهربائية غير المرئية المؤثرة. ووجدوا أنه عندما يشير المجال الكهربائي بالقرب من الأرض إلى الأعلى -وهي حالة تُعرف بالمجال الموجب- يضيء السماء بكتل مدمجة ومنفصلة من الضوء الأزرق البنفسجي. بدت هذه البقع المضيئة كعقد معزولة من الطاقة، ممدودة أحياناً، وتطفو في الهواء. كانت متميزة وحادة، وتبدو وكأنها معلقة عند ارتفاع محدد، حيث تحوم على بُعد حوالي 50 إلى 65 متراً فوق المحطة.

وفي تباين صارخ، عندما ينقلب المجال الكهربائي بالقرب من الأرض ليشير إلى الأسفل -أي المجال السالب- يتغير طبيعة الضوء تماماً. فتختفي الكتل الحادة والمعزولة، ويحل محلها توهج منتشر وضبابي يبدو وكأنه يملأ مجال رؤية الكاميرا بأكمله. لم يكن هذا الضوء نقطة واحدة، بل كان شبكة خيطية واسعة النطاق تبدو مثل سحابة ناعمة متوهجة تنتشر من الأرض. لاحظ الباحثون أن هذه التوهجات المنتشرة غالباً ما تبدو وكأنها تنبعث من هياكل المحطة نفسها، مثل الصواري المعدنية والهوائيات والكابلات، والتي تعمل كنقاط تركيز للكهرباء. حيث يتفرع الضوء من هذه الأجسام الأرضية، خالقاً إضاءة كبيرة وضبابية يمكن أن تغطي جزءاً كبيراً من السماء.

ولفهم مصدر هذه الأضواء بدقة، استخدم الفريق تقنية تسمى "الرؤية المجسمة" (stereoscopy)، والتي تعمل بشكل مشابه للرؤية البشرية ثنائية العين. فمن خلال استخدام ثلاث كاميرات متباعدة تنظر إلى نفس الحدث من زوايا مختلفة، تمكنوا من حساب الارتفاع الدقيق للأجسام المتوهجة. وكانت النتائج واضحة: الكتل الزرقاء البنفسجية المدمجة التي شوهدت أثناء المجالات الكهربائية الموجبة كانت بالفعل مرتفعة، وتطفو في الهواء بين قاعدة السحابة والأرض. ومع ذلك، فإن التوهجات المنتشرة التي شوهدت أثناء المجال السالب لم يكن من الممكن تحديد نقطة واحدة لها. ولم يكن هذا الفشل في تحديد موقع واحد خطأً في القياس، بل أكد أن هذه التوهجات لم تكن أجساماً منفردة بل تفريغات واسعة الانتشار تمتد من الأرض إلى الأعلى.

كما تتبع الباحثون سلوك الجسيمات عالية الطاقة والإشارات الراديوية لتجميع الصورة الكاملة. ووجدوا أن الكتل المدمجة، التي ظهرت أثناء المجالات الموجبة، كانت هادئة نسبياً من حيث الانبعاثات الراديوية. يشير هذا الهدوء إلى أنها من المرجح أن تكون الرؤوس المرئية لـ "المسارات" (streamers)، وهي جبهات تأين ذاتية الانتشار تتحرك عبر الهواء. ويُعتقد أن هذه المسارات هي الخطوات الأولية للانهيار الكهربائي، وهي الشرارات الصغيرة التي يمكن أن تنمو في النهاية لتصبح صاعقة برق كاملة. وحقيقة أن رؤوس هذه المسارات ظهرت في الفجوة بين السحابة والأرض تشير إلى أن الهيكل الكهربائي الداخلي للعاصفة كان يمتد للأسفل، خالقاً جسراً من الهواء المتأين.

وعلى العكس من ذلك، كانت التوهجات المنتشرة أثناء المجالات السالبة مصحوبة بنبضات مكثفة وسريعة من الإشارات الراديوية. وقد أشارت هذه الضوضاء الراديوية إلى عملية فوضوية عالية الطاقة تتضمن العديد من التفريغات الصغيرة التي تحدث في وقت واحد، وهو ما يتوافق مع سلوك تفريغات "الكورونا" (corona). يحدث الكورونا عندما يكون المجال الكهربائي قوياً جداً عند نقطة حادة، مثل طرف صارية معدنية، بحيث ينتزع الإلكترونات من جزيئات الهواء، مما يخلق غلافاً متوهجاً ومتأيناً. وخلص الباحثون إلى أنه عندما يكون المجال الكهربائي بالقرب من الأرض سالباً، فإن العاصفة تدفع هذه التفريغات نحو هياكل المحطة، مما يخلق التوهجات الكبيرة والضبابية التي تملأ السماء.

وكان أحد أهم النتائج هو أن هذين النوعين من الضوء يمكن أن يظهرا في نفس العاصفة، ويفصل بينهما دقائق معدودة فقط، بينما ينقلب المجال الكهربائي بالقرب من الأرض ذهاباً وإياباً. فقد شاهد الفريق عاصفة في 29 مايو 2025، حيث انتقلت السماء بسرعة من الكتل المدمدة والمنفصلة إلى توهج منتشر كبير مع انعكاس المجال الكهربائي. وقد أثبت هذا التبدل السريع أن نوع الضوء لم يكن محدداً بظروف الطقس أو سمك السحب، بل كان محكوماً حصرياً بقطبية المجال الكهربائي. فعندما يشير المجال في اتجاه واحد، تنتج العاصفة رؤوس مسارات متوهجة، وعندما يشير في الاتجاه الآخر، تحفز تفريغات الكورونا الأرضية.

كما أوضحَت الدراسة العلاقة بين هذه الومضات الضوئية وجسيمات الطاقة العالية التي تنتجها العواصف. فبينما رأى الباحثون سابقاً دفقات من أشعة غاما والإلكترونات أثناء العواصف، وجدوا أن دفقات الجسيمات هذه يمكن أن تحدث خلال كلا النوعين من المجالات الكهربائية. وهذا يعني أن وجود مجال موجب أو سالب بالقرب من الأرض لا يروي القصة كاملة عما يحدث في أعالي العاصفة. فالمجال الكهربائي بالقرب من الأرض يعمل بمثابة نافذة على الجزء السفلي من هيكل العاصفة، حيث يوضح كيفية ترتيب الكهرباء في الأسفل، بدلاً من أن يملي سلوك العاصفة بأكملها. فعلى سبيل المثال، لم تكن الكتل الزرقاء البنفسجية المدمجة التي شوهدت أثناء المجالات الموجبة دليلاً على وجود نوع معين من الجسيمات يسمى "البوزيترون"، كما كان يأمل البعض، بل كانت علامة على نشاط المسارات في تكوين كهربائي محدد.

ومن خلال الجمع بين هذه الملاحظات الضوئية وقياسات المجالات الكهربائية، وعدد الجسيمات، والموجات الراديوية، نجح الباحثون في وضع طريقة جديدة لتشخيص صحة وهيكل العاصفة الرعدية. لقد أثبتوا أن الغلاف الجوي السفلي ليس مجرد مسرح سلبي، بل هو مشارك نشط في دورة حياة العاصفة. فالمجال الكهربائي بالقرب من الأرض يحدد ما إذا كانت العاصفة ستنتج شرارات طافية مدمجة أو توهجات أرضية واسعة الانتشار. يفتح هذا الاكتشاف نافذة جديدة للعلماء لمراقبة كيفية تشكل وتطور التفريغات الكهربائية، مما يوفر أدلة حول كيفية نمو تلك المسارات الصغيرة وغير المرئية التي تبدأ في الطبقات السفرا لتصبح في النهاية صواعق البرق الضخمة التي تميز العاصفة الرعدية. ويشير العمل إلى أنه بمجرد مراقبة لون وشكل الضوء تحت السحابة، ومعرفة اتجاه المجال الكهربائي، يمكن للعلماء الآن التمييز بين عمليات التفريغ الكهربائي الأساسية المختلفة، وتحويل مجموعة من أضواء السماء التي كانت مربكة سابقاً إلى خريطة واضحة ومفهومة للكهرباء الجوية.