עמוד הבית > מדעי כדור-הארץ והיקום > מטאורולוגיה [אקלים ומזג האוויר] > מזג אוויר > תופעות מיוחדות
סיינטיפיק אמריקן ישראל


תקציר
כיצד יוצרות סופות רעמים את מטענן החשמלי וכיצד מתרחש הברק? החידה שהחל להתמודד עמה בנג'מין פרנקלין לפני מאתיים וחמישים שנה טרם נפתרה. על המחקרים החדשים העשויים לעזור לפתור סוף-סוף את החידה.



מכת ברק
מחבר: ד"ר ג'וזף ר' דווייר


מחקר חדש מראה כי הברק הוא תופעה מורכבת עד מאוד שהמסתורין בה עדיין רב

ברק הוא אחת התופעות המטרידות ביותר של מזג אוויר סוער. בארצות הברית הוא גורם ליותר מקרי מוות מאשר סופות ההוריקן והטורנדו, והוא מכה ללא התראה מוקדמת, לעתים אף כשהשמים בהירים. במרכז פלורידה, שם אני גר, סופות רעמים הן תופעה יום יומית במהלך הקיץ, ולכן, למרבה האירוניה, תושבי הארץ השמשית הזאת מבלים את שעות אחר הצהריים לעתים קרובות בלי לצאת החוצה, כדי להימנע מסכנת המוות האורבת מן השמים.

ברקים מכים כארבעה מיליוני פעמים ביום בכדור הארץ והם נצפו גם על פני כוכבי לכת אחרים, אבל על אף ההיכרות הרבה שלנו עם ברקים, עדיין אין אנו יודעים מה יוצר אותם. רבים סבורים בטעות שבנג'מין פרנקלין פתר את חידת הברק בניסוי העפיפון המפורסם שלו ב-1752. פרנקלין אכן הראה כי ברק הוא תופעה חשמלית, אך עד עצם היום הזה מדענים נאבקים להסביר כיצד יוצרות סופות רעמים את מטענן החשמלי וכיצד מתרחש הברק. פיזיקאים העלו השערה כי ייתכן שבהיווצרות ברקים מעורבים גורמים חוץ-ארציים, כשקרניים קוסמיות - חלקיקים באנרגיות גבוהות המפציצים את כדור הארץ מהחלל - מחוללות תגובת שרשרת של פליטת אלקטרונים מהירים באטמוספרה.

חוקרים גילו לאחרונה דרך חדשה לפענוח צפונות הברק: ניתוח קרני-x הנפלטות כשהברק משתלח מן העננים אל הקרקע. בשנים האחרונות מדדה קבוצת המחקר שלנו הן את קרני ה-X שנוצרו על ידי ברקים טבעיים והן את הקרניים שנוצרו על ידי ברקים מעשי ידי אדם, ברקים מלאכותיים שהופקו על ידי טילים ששוגרו אל תוך סופות הרעמים. התוצאות מרמזות כי הברק מעצב את נתיבו הזיג-זגי, מוליך החשמל, על ידי שיגור מטחים של אלקטרונים מהירים. עם זאת, עדיין לא ברור איך הברק מצליח להאיץ את האלקטרונים למהירויות אלו. כדי לפתור את התעלומה הזאת, אנו בונים בימים אלו מערך של גלאי קרני-X באתר ניסויים בפלורידה.

ניצוצות מוזרים

במידה מסוימת, ברק דומה לניצוץ גדול. חשבו על ניצוץ רגיל, מהסוג שאתם מקבלים לפעמים כשאתם מושיטים את ידכם אל ידית הדלת לאחר הליכה על שטיח. כשחציתם את השטיח, סוליות הנעליים שלכם תלשו ממנו אלקטרונים וצברו מטען חשמלי שגורם לשדה חשמלי ביניכם לבין גופים אחרים בחדר. בשדות חשמליים קטנים האוויר הוא מבודד טוב - האלקטרונים מתחברים לאטומי החמצן בקצב מהיר יותר מאשר קצב תלישתם על ידי התנגשויות, ולכן לא יכול לזרום זרם חשמלי משמעותי. אבל כשאצבע שלכם מתקרבת לידית, השדה החשמלי המקומי הולך ומתחזק. אם הוא חוצה ערך קריטי של שלושה מיליוני וולט למטר, המכונה שדה הפריצה, האוויר מתחיל להוליך חשמל ומתרחשת פריקה של מטען: הזרם מגשר על הרווח שבין היד לידית.

יצירת חשמל בסופות רעמים דומה במידה כלשהי לתרחיש שתואר כאן. ברד רך - כדורוני שלג היורדים בין גבישוני קרח ורסיסי מים - ממלא כנראה את תפקיד סוליות הנעליים בתוך ענני הסופה. (עדיין ניטש ויכוח על המנגנון המדויק.) כשכדורוני הברד מתנגשים זה בזה, נתלשים אלקטרונים והם הופכים טעונים. המטענים החיוביים והשליליים מופרדים זה מזה על ידי הזרמים העולים מזה וכוח הכובד מזה, וכך נוצר שדה חשמלי. אבל אם ננסה למתוח את משל האצבע והידית יותר מזה, ניתקל בבעיה קשה: במשך דורות של מדידות שנעשו בתוך עננים באמצעות בלונים, מטוסים וטילים כמעט לא נמדדו שדות גבוהים מ-200,000 וולט למטר - שדה קטן מכדי לגרום לפריצת זרם חשמלי דרך האוויר כפי שקורה כשאנו מתחשמלים מידית הדלת.

עד לאחרונה התרכזו המדענים בשני הסברים אפשריים לפתרון החידה. ראשית, ייתכן ששדות חשמליים חזקים יותר אכן קיימים בתוך ענני סערה, אבל רק בתחומים מצומצמים מאוד, ומשום כך קשה לאתרם. אף על פי שאי אפשר לפסול תסריט כזה באמצעות תצפיות, אין בו די, מפני שלמעשה הוא מחליף בעיה אחת בבעיה אחרת: כיצד מייצרים העננים שדות חשמליים עזים באופן ממוקד כל כך? ההסבר השני מבוסס על ניסויים שהראו כי השדה החשמלי הנחוץ לצורך פריצה פוחת במידה ניכרת כשמצויים באוויר טיפות גשם או חלקיקי קרח, כפי שאכן קורה בתוך סופות רעמים. למרבה הצער, הוספת הגשם או הקרח מסירה רק מקצת אי ההתאמה; השדות בתוך סופות רעמים כנראה עדיין חלשים מכדי ליצור פריקה חשמלית בדרך המקובלת.

כמו כן, המדענים אינם יודעים בוודאות איך ברק מתקדם לאורך קילומטרים רבים דרך האוויר. התהליך מתחיל בהיווצרותו של "מוביל" (leader), ערוץ לוהט שבו האוויר מיונן ויכול לשמש להעברת מטענים למרחקים [ראו תיבה בעמוד ממול]. מעניין לציין שהמוביל אינו מתקדם לעבר הקרקע בהילוך רציף אלא עושה זאת בכמה וכמה פסיעות בדידות. איך בדיוק כל זה מתרחש? הדבר עדיין אפוף במידה של מסתורין. הניסיונות לבנות הדמיות של התהליכים האלה לא הצליחו ממש. הקשיים הובילו רבים מן החוקרים העוסקים בתחום, ובהם אני, לתהות אם החמצנו משהו חשוב. למשל, ייתכן שלא נכון לחשוב על הברק כעל פריקה חשמלית רגילה, כמו ניצוץ אל ידית הדלת. מתברר כי קיים עוד סוג, נדיר יותר, של פריקה: "פריצה מתגלגלת" (runaway breakdown).

בפריקה רגילה, כל האלקטרונים נעים יחסית באיטיות כתוצאה מהתנגשויות בלתי פוסקות עם מולקולות האוויר. השפעת ההתנגשויות ניתנת לתיאור ככוח גרר, כוח הדומה באופיו לזה שמרגישים כשמושיטים יד אל מחוץ לחלון של מכונית נוסעת: ככל שהמכונית נעה מהר יותר כוח הגרר גדל, וככל שהמכונית נעה לאט יותר הוא קטן. אבל אם מהירויות האלקטרונים גבוהות דיין - לפחות שישה מיליוני מטרים לשנייה, כשני אחוזים ממהירות האור - כוח הגרר למעשה קטן ככל שהאלקטרונים נעים מהר יותר. אם שדה חשמלי חזק מאיץ אלקטרונים מהירים, כוח הגרר קטן, דבר שמאפשר לאלקטרונים לנוע מהר עוד יותר, ולפיכך להקטין עוד ועוד את כוח הגרר, וכך הלאה וכך הלאה. אלקטרונים אלו יכולים להאיץ כמעט עד מהירות האור, תוך צבירת כמויות אדירות של אנרגיה ולייצר את הפריקה הנקראת פריצה מתגלגלת.

ואולם, לתהליך זה דרוש זרע ראשוני של אלקטרונים בעלי אנרגיה התחלתית גבוהה. ב-1925 הציע לראשונה הפיזיקאי הסקוטי צ'ארלס ת' ר' וילסון כי דעיכת איזוטופים רדיואקטיביים או התנגשות קרניים קוסמיות במולקולות אוויר יכולים ליצור אלקטרונים אנרגטיים דיים שיוכלו להאיץ בשדות החשמליים שבענני הסערה. אבל על פי המודל של וילסון הדעיכות הרדיואקטיביות והתנגשויות הקרניים הקוסמיות אינן מפיקות את הכמות הראשונית של אלקטרונים אנרגטיים הנדרשת ליצירת ברק.

ב-1961 העלה אלכסנדר ו' גורביץ', ממכון לבדב לפיזיקה במוסקבה, השערה בדבר מנגנון אחר להפקת האלקטרונים האנרגטיים. גורביץ' הראה כי בשדות חשמליים חזקים מאוד אפשר ליצור מספר רב של אלקטרונים אנרגטיים על ידי האצתם באופן ישיר מתוך אוכלוסיית האלקטרונים החופשיים האיטיים, ובכך הראה דרך לעקוף את המכשול שהציב וילסון ולהגיע לזרע הראשוני הנחוץ לפריצה המתגלגלת. כדי ליצור את האלקטרונים האנרגטיים האלה, הניח גורביץ' כי השדה החשמלי הוא גדול להפליא, כך שחלק מהאלקטרונים האיטיים מואצים במהרה אל מעבר לסף האנרגטי, דבר שמאפשר להם להימלט. הבעיה היא שהמנגנון הזה מחייב שדה חשמלי גדול בערך פי 10 מן השדה הדרוש לפריצה שגרתית, שגם הוא חזק יותר מן השדות שנצפים בסופות רעמים. בקצרה, היה נראה שהפיזיקאים מתקדמים בכיוון שגוי.

לבסוף, ב-1992, הועלה רעיון חדש ומבטיח לתיאור המתרחש בתוך סופת הרעמים בעת היווצרות הברק. גורביץ' יחד עם גנאדי מ' מיליך מהאוניברסיטה של מרילנד ורוברט ראסל-דופרה מן המעבדה הלאומית האמריקנית בלוס אלמוס, הציעו את מודל RREA - מפולת האלקטרונים המתגלגלת הייחסותית (Relativistic Runaway Electron Avalanche) . על פי התסריט הזה, האלקטרונים האנרגטיים עצמם הם אלו היוצרים עוד ועוד "זרעים", עוד אלקטרונים אנרגטיים, כשהם מתנגשים בעוצמה במולקולות האוויר ומייננים אותן. האלקטרונים שנתלשו מאיצים ומתנגשים בעוד מולקולות אוויר, תולשים עוד אלקטרונים אנרגטיים וכך הלאה. התוצאה היא תהליך דמוי מפולת, שבו מספר האלקטרונים האנרגטיים גדל באופן מעריכי (אקספוננציאלי) במרחב ובזמן. התהליך יכול להתחיל להתגלגל באמצעות אלקטרונים יחידים, אולי אפילו באמצעות "זרע" אחד בלבד. ולכן, די ברקע הקבוע של התנגשויות קרניים קוסמיות ודעיכות רדיואקטיביות, כדי להתניע את המפולת האלקטרונית. כל עוד המפולת ממוקדת באזור שבו השדה החשמלי חזק, היא תמשיך לגדול, כמעט ללא הגבלה, ותביא בסופו של דבר לפריצה מתגלגלת.

יותר מזה, שלא כמו ההשערה הקודמת של גורביץ', המודל החדש דורש רק כעשירית מעוצמת השדה הדרושה לפריצה חשמלית רגילה באוויר יבש. ברום שבו מתרחשות סופות הרעמים צפיפות האוויר קטנה מצפיפותו בגובה פני הים והשדה החשמלי הנדרש לפריצה מסוג זה הוא כ-150,000 וולט למטר בלבד - ערך המתאים בקלות לעוצמת השדות שנמדדו בתוך סופות הרעמים. למעשה. מן הסתם אין זה מקרי שעוצמת השדה החשמלי הגדולה ביותר שנמדדה בענני סערה ועוצמת השדה הדרושה לפריצה המתגלגלת כמעט שוות זו לזו; על פי חישובים שערכתי, הפריצה המתגלגלת הייתה פורקת באופן יעיל את השדה החשמלי אם הוא היה גדל לעוצמות גבוהות יותר.

בפריצה רגילה, לכל האלקטרונים אנרגיות נמוכות והם נעים באיטיות יחסית, ולכן הקרינה האלקטרומגנטית הנפלטת על ידי הניצוץ אינה כוללת תדירויות גבוהות יותר מאלו של הקרינה האולטרה-סגולה. בפריצה מתגלגלת, לעומת זאת, האלקטרונים המהירים מייננים מספר רב של מולקולות אוויר ומייצרים קרני-X וקרני גמה אנרגטיים (התופעה ידועה בכינוי bremsstrahlung, "קרינת עצירה" בגרמנית). לפיכך אחת הדרכים לבחון אם מדובר בפריצה מתגלגלת היא לחפש קרני-X.

אם סופרמן היה מתבונן בברק

מדענים מנסים לגלות קרני-X בקרבת ברקים וסופות רעמים כבר משנות ה-30, בתחילה בעקבות ההשערות של וילסון, ולאחר מכן בעקבות עבודתו של גורביץ'. מדידות שכאלה קשות מאוד לביצוע ועד לאחרונה התוצאות לא היו ברורות. קושי אחד הוא בכך שקרני-X מתקשות לחדור מבעד לאטמוספרה ובדרך כלל נבלעות בטווח של כמה מאות מטרים מן המקור. קושי אחר הוא שסופות רעמים הן סביבות רועשות מבחינה אלקטרומגנטית. ברק מפיק רעש רב בתדירויות רדיו, אותם פצפוצים מוכרים הנשמעים בגליAM ברדיו במרחק קילומטרים רבים. זיהוי קרני-X מתבסס על מדידת אותות חשמליים חלשים. ניסיון לבצע מדידה שכזאת בקרבת ברקים דומה לניסיון לצותת לשיחה בהמולה של מסעדה סואנת. היות שקשה להבחין בין אותות חשמליים המיוצרים באמת על ידי קרני-X לבין אותות שווא הנגרמים כתוצאה מן הקרינה בתדירויות רדיו, רבות מן העדויות הראשונות התקבלו בספקנות.

המצב נעשה מעניין יותר בשנות ה-80, כשג'ורג' ק' פארקס, מישל פ' מקארת'י ועמיתיהם מהאוניברסיטה של וושינגטון ערכו מדידות באמצעות מטוסים בתוך סופות רעמים. אחר כך, קנת' ב' איק, כיום במכון הטכנולוגי של ניו-מקסיקו (NMT), ועמיתיו ערכו סדרת הפרחות בלונים אל תוך ענני סערה. תצפיות אלו סיפקו רמזים מפתים לכך שסופות הרעמים מייצרות לעתים התפרצויות עזות של קרני-X. לא היה אפשר לקבוע מהיכן בקעו קרני ה-X, אך נראה שהקרינה הייתה בסמיכות לשדות חשמליים חזקים בתוך העננים. מעניין שקרינת הרנטגן התחילה לעתים מעט לפני שנצפה ברק ופסקה כשהתרחש הברק, אולי משום שהברק "קיצר" את השדות החשמליים הנחוצים להפקת פריצה מתגלגלת.

החוקרים אינם מכירים מנגנון אחר באטמוספרה מלבד פריצה מתגלגלת, שיכול לייצר כמויות קרני-X בכמויות גדולות, כפי שנמדדו. תופעות אחרות בסמיכות לברקים אינן יכולות להיות אחראיות לפליטה; אף על פי שהברק יכול לחמם את האוויר עד ל-30,000 מעלות צלזיוס - פי חמישה מן הטמפרטורה שעל פני השמש - לא נוצרת קרינת רנטגן משמעותית בטמפרטורה זו.

מדענים מצאו בסופו של דבר קשר ישיר בין קרני-X לברק ב-2001, כשצ'ארלס ב' מור וצוותו ב-NMT דיווחו על קרינה אנרגטית, כנראה קרני-X, שנבעה מכמה ברקים טבעיים על פסגת הר גבוה. שלא כמו בממצאי המדידות הקודמות שנערכו באמצעות מטוסים ובלונים, היה נראה שהקרינה האנרגטית הזאת מיוצרת על ידי הברק עצמו ולא על ידי השדות החשמליים הגדולים יותר שבתוך סופות הרעמים. יותר מכך, היה נראה שהפליטות התרחשו במהלך השלב הראשון של הברק, במהלך התקדמות המוביל מן הענן אל הקרקע. התצפיות האלה היו משהו חדש לגמרי.

וכאן אני נכנסתי לתמונה. כפיזיקאי, תמיד התעניינתי באופן שבו קרני-X וקרני גמה נוצרים. אף על פי שקרינות אלו נפוצות בחלל, שם הריק מאפשר לחלקיקים אנרגטיים לנוע ללא הפרעה, הן נדירות מאוד על פני כדור הארץ. משום כך, הוקסמתי ממודל הפריצה המתגלגלת של גורביץ', מיליך וראסל-דופרה, מודל שהציע כי אותו סוג של קרני-X המיוצר על ידי אירועים כמו התפרצויות שמש יכול להיווצר גם על ידי ברקים וסופות רעמים. החלטתי לראות בעצמי אם קרני ה-X המשוערות אכן קיימות, ולחקור את סופות הרעמים התדירות בחצר האחורית שלי.

ב-2002, בעזרת מימון מקרן המדע האמריקנית, התחלנו, קבוצתי במכון הטכנולוגי של פלורידה בשיתוף עם מרטין א' יומן וקבוצתו מהאוניברסיטה של פלורידה, במערכה שיטתית לחיפוש פליטת קרני-X מברקים. כדי להפחית את הסיכוי לקריאות שווא, מיקמנו גלאי קרני-X רגישים בתוך קופסאות אלומיניום עבות, שתוכננו כך שיגנו על הגלאים מפני לחות, אור ורעש בתדרי רדיו. פרשנו את המכשור שלנו במרכז הבין--לאומי לחקר ברקים ולמדידתם (ICLRT) בבסיס הצבאי קמפ בלנדינג. המרכז, המופעל על ידי האוניברסיטה של פלורידה והמכון הטכנולוגי של פלורידה, מצויד, בין השאר, לצורך מדידת השדות החשמליים והמגנטיים והקרינה באור נראה בקרבת ברקים. יותר מזה, המתקן מאפשר עירור ברקים באופן מלאכותי מסופות רעמים טבעיות על ידי שיגור טילים קטנים.

כשסופת רעמים ממוקמת מעל ה-ICLRT והשדה החשמלי שעל פני הקרקע מגיע לכמה אלפי וולטים למטר, החוקרים משגרים טיל באורך מטר ממגדל עץ. מאחורי הטיל נפרש חוט נחושת שקצה אחד שלו נשאר מחובר לאדמה. כשהטיל מגיע לגובה של כמה מאות מטרים, החוט האנכי המוארק מחזק את השדה החשמלי בקדמת הטיל עד ליצירת מוביל המתקדם מעלה ושבסופו של דבר מתפתל אל תוך ענן הסערה. הזרם החשמלי העולה במהירות מן הקרקע אל תוך המוביל מאדה את התיל. כמחצית מן השיגורים מעוררים היווצרות ברקים מן הענן שמעל, והברק בדרך כלל מכה במשגר הטיל.

גם הברקים הטבעיים וגם הברקים המאולצים מורכבים בדרך כלל מכמה מכות. בברקים המאולצים כל מכה מתחילה בעמודת מטען המתפשטת מטה, הנקראת "מוביל חץ" (dart leader). סמוך לאדמה, עוקב מוביל החץ, פחות או יותר, אחר הנתיב שנותר בעקבות הטיל והתיל שנפרש ממנו. מוביל החץ מעביר מטה מטען שלילי מהענן ומיינן את הנתיב שבו הוא עובר. ברגע שמוביל החץ מתחבר לאדמה, נוצר קצר חשמלי ופעימה גדולה של זרם, הנקראת "המכה החוזרת" (return stroke), זורמת דרך הערוץ המוליך. הזרם במכה החוזרת מחמם במהירות את הנתיב. כתוצאה מכך נפלט האור שאנו רואים, וההתפשטות הפתאומית של האוויר החם היא הגורמת לרעם שאנו שומעים. אחרי המכה החוזרת יכול עוד מוביל חץ להתקדם שוב כלפי מטה וכל התהליך יכול לחזור על עצמו. המכות הניתכות במהירות בזו אחר זו הן הגורמות לנתיב הברק להבהב.

בברק טבעי ממלא את מקום הטיל ה"מוביל המדורג" (stepped leader) שמפלס את הנתיב המיונן המתפשט בצעדי זיג-זג מן הענן אל האדמה. השלבים הבאים של הברק הטבעי מתחילים גם הם עם מוביל חץ, ולפיכך הם דומים מאוד לאלו שבברקים המאולצים באופן מלאכותי. היתרון שבחקר הברקים המאולצים הוא ביכולת לשלוט במיקום ובעיתוי הברק. יותר מכך, אפשר לחזור על הניסוי שוב ושוב; תריסרי ברקים מאולצים ב-ICLRT מדי קיץ.

למען האמת, לנוכח ההיסטוריה הארוכה של תוצאות שליליות או בלתי משכנעות במדידת קרני-X, לא ציפיתי ממש שנמדוד קרני-X מברקים כשפרשנו את המכשור בפעם הראשונה. מסיבה זאת, לאחר שערכנו את המדידות הראשונות בברקים מאולצים לא התפניתי במשך כשבוע להעיף מבט בנתונים שהצטברו. כשלבסוף התיישבתי יחד עם תלמיד המחקר שלי, מאהר אל-דאיֶה, וסרטטנו את הרישומים של גלאי קרני ה-X, כמעט נפלתי מן הכיסא. להפתעתי - ולהפתעתו של כמעט כל אחד אחר - גילינו שהברקים המאולצים מייצרים המון קרני-X כמעט בכל פעם. למעשה, הבזקי הקרינה היו עזים כל כך עד שהם "עיוורו" את המכשירים שלנו באופן רגעי.

ניסויים שנערכו במהלך השנה שלאחר מכן הראו כי קרני ה-X נפלטות ממוביל החץ ואולי במידה מסוימת מתחילתה של המכה החוזרת. האנרגיות של קרני ה-X מגיעות ל-250,000 אלקטרון-וולט, או בערך פי שניים מן האנרגיה של קרני הרנטגן בשיקוף חזה אופייני. יתרה מזאת, קרינת הרנטגן אינה מיוצרת באופן רציף, אלא מתרחשת במטחים במרווחים של מיליונית השנייה זה מזה. לו היה לנו חוש ראייה בקרני-X, כמו שיש לסופרמן, הברק היה נראה שונה למדי ממראהו הרגיל: כשהמוביל מתקדם מטה היינו רואים סדרה מהירה של הבזקים קצרים ועזים היורדים מן העננים. ההבזקים היו מתחזקים ככל שהיו קרבים לאדמה והיו מסתיימים בהבזק בהיר מאוד ברגע שבו המכה החוזרת הייתה מתחילה. אף על פי שפעימת הזרם שהייתה מופיעה מיד לאחר מכן הייתה בוהקת באור הנראה, היא הייתה אפלה בקרני-X.

זיהוי קרני-X מברקים מעיד על כך שסוג מסוים של פריצה מתגלגלת חייב להיות מעורב כדי שהאלקטרונים יואצו דיים, עד שתיווצר קרינת העצירה. אבל מדידותינו אינן מתיישבות עם מודל RREA של גורביץ', מיליך וראסל-דופרה. קרני ה-X שזיהינו היו באנרגיות נמוכות במידה ניכרת מן הצפוי במודל מפולת האלקטרונים, ועוצמת פרצי הקרינה הייתה גבוהה בהרבה מן הצפוי. למעשה, התוצאות מרמזות כי השדות החשמליים המיוצרים על ידי מובילי הברק הם בעוצמות גבוהות הרבה יותר ממה שנחשב אפשרי עד כה. למרבה האירוניה, הניסויים שערכנו עד עכשיו מורים על כך שהמנגנון הפועל במוליכי הברק דומה יותר למודל הישן של פריצה מתגלגלת שהציע גורביץ' ב-1961 - המודל שנדחה בשעתו מפני שהוא מחייב שדה חשמלי עצום. עדיין לא ברור איך הברק מצליח ליצור שדות חשמליים חזקים כל כך, אבל תצפיות נוספות בקרניX- אמורות לספק רמזים לפתרון.

מאז התגלית הראשונית של קרני-X מברקים מאולצים, מדדנו ב-ICLRT גם כמה פגיעות ברק טבעיות. המדידות מראות באופן יפהפה פליטה של קרני-X בשלב המוביל המדורג, ובכך מאוששות את התצפיות הקודמות ב-NMT. יותר מכך, הבזקי קרני ה-X הגיעו בדיוק בזמנים שבהם המוביל ירד מדרגה כלפי מטה. תוצאה זו מבהירה כי פריצה מתגלגלת מעורבת בתהליך הירידה המדורגת, והיא כנראה הקובעת להיכן יפנה הברק ואיך הוא יתפצל. מנגנון דומה פועל בשלבי מוביל החץ של המכות הבאות.

בקצרה, פליטות קרני ה-X מברקים טבעיים דומות מאוד לפליטות מברקים מאולצים. מתחוור שפריצה מתגלגלת היא תופעה נפוצה באטמוספרה שלנו. על אף העובדה שמולקולות האוויר מגבילות את תאוצתם של אלקטרונים מהירים, אנו רואים עדות לפריצה מתגלגלת אפילו סמוך לקרקע, אזור שבו האוויר צפוף (רוב קרני ה-X שמדדנו הגיעו בערך מ-100 המטרים התחתונים של ערוץ הברק). לפיכך, ייתכן שפריצה מתגלגלת נפוצה עוד יותר בגובה שבו מתחוללות סופות הרעמים.

בענן הסערה

ומה באשר להתחלת הברק בתוך ענן הסערה? בשנים האחרונות בנו חוקרים מודלים מבטיחים שמראים כי ממטרי חלקיקים הנוצרים על ידי פגיעות קרניים קוסמיות יכולים להשתלב עם מנגנון הפריצה המתגלגלת לקבלת ברק. מפולות גדולות של אלקטרונים אנרגטיים יכולות להיווצר על ידי "זרע" בודד - אלקטרון מהיר אחד. ולכן, הפריקה שתופק על ידי מטר חלקיקים בפגיעה של קרן קוסמית - שבו מיליוני "זרעים" מגיעים בבת-אחת - תהיה בממדים אדירים. פריקה גדולה כזו יכולה לגרום להגדלה ממוקדת של השדה החשמלי בחזית המפולת בשל הגידול הדרמתי במטען החשמלי שם. הגדלה ממוקדת זו תוכל לתפקד כמו האצבע בקרבת ידית הדלת, בהביאה להרף עין את השדה החשמלי לנקודה שבה פריצה חשמלית רגילה תוכל להיווצר.

פיסת עדות מרתקת התומכת בפריצה מתגלגלת בתוך ענני הסערה התקבלה בניסויים שערכנו ב-ICLRT בקיץ 2004. במהלך שיגור הטיל האחרון לעונה, התמזל מזלנו לקלוט פרץ אדיר של קרינה באנרגיה גבוהה מאוד - קרני גמה, ולא קרני-X - בשלושה חיישנים שהוצבו במרחק של 650 מטר מנתיב הברק. אנרגיות פוטונים של הקרינה הזאת הגיעו עד 10 מיליון אלקטרון וולט, או עד פי 40 מן האנרגיות של קרני ה-X שמדדנו לפני כן ממובילי הברק. כל מי שמדמה בנפשו את המדענים כטיפוסים שלווים ומאופקים היה חייב לראות אותנו כשהנתונים על הבזק קרני הגמה הופיעו על מסכי המחשב שלנו. היה אפשר לחשוב שאנו קבוצת אוהדים שרופים של קבוצת כדורגל שזה עתה זכתה בגביע.

בהתבסס על המדידות של הזרמים בערוץ הברק, של השדות החשמליים ושל מאפייני קרינת הגמה, הגענו למסקנה כי מקור הקרינה היה כנראה בגובה כמה קילומטרים, הרחק בתוך ענן הסערה. לא ציפינו לראות קרני גמה מגובה זה מפני שהאטמוספרה בולעת קרינה מסוג זה, אבל עוצמת המקור הייתה כנראה עזה כל כך עד שכמה פוטונים הצליחו לשרוד ולהגיע לקרקע. הממצא הזה מרמז כי ייתכן שהתרחשה פריצה מתגלגלת אדירה בתוך ענן הסערה בתהליך הקשור להיווצרות הברק המאולץ. מדידותינו מראות כי אפשר לחקור את התופעה הזאת בפני הקרקע, אפשרות מדידה פשוטה בהרבה מהובלת חיישנים מעלה על ידי מטוסים או בלונים. יתרה מזאת, לאחרונה דווח כי הלוויין RHESSI (החיישן הספקטרוסקופי הסולרי באנרגיות גבוהות על שם ראובן רמתי) מדד הבזקי גמה דומים מסופות רעמים בעת שחג במסלולו במרחק 600 ק"מ מהם !

בעקבות תקצוב נוסף של קרן המדע האמריקנית, אנו מרחיבים כעת את מספר חיישני קרני ה-X ב-ICLRT מ-5 ליותר מ-36. החיישנים יכסו קילומטר רבוע אחד של האתר בקמפ בלנדינג. הרחבה זו אמורה לשפר את יכולתנו לחקור גם ברקים טבעיים וגם ברקים מאולצים ותגדיל את הסיכויים לקלוט עוד פרצי גמה מענני סערה. אפשר לראות בפליטות קרני ה-X וקרני הגמה כעין חיישנים של עוצמת השדה החשמלי באזורים שהיו בלתי נגישים למדידה בלעדיהם. נראה שהתוצאות יאפשרו לנו להיטיב להבין את תהליכי הפריצה הגורמים להיווצרות הברק ומאפשרים את התקדמותו.

השימוש בקרני-X לחקר ברקים הוא עדיין תחום חדש, ולכן כמעט כל אימת שאנו מבצעים מדידה אנו מגלים משהו שלא ידענו עד כה. כבר למדנו שברק אינו ניצוץ פשוט מן הסוג שבו נתקלים לעתים כשמושיטים יד אל ידית הדלת. מעורב בו מנגנון אקזוטי יותר של פריקה חשמלית המייצר אלקטרונים אנרגטיים וקרני-X. היות שקרני-x מאפשרות לנו לראות את הברק באור חדש, ייתכן שמחקר זה יעזור לפתור סוף-סוף את החידה שהחל להתמודד עמה בנג'מין פרנקלין לפני מאתיים וחמישים שנה.  

‏‏סקירה כללית / טבע הברקים

  • הברקים גרמו מבוכה לפיזיקאים במשך עשרות שנים מפני שהיה נדמה שהשדות החשמליים בתוך ענני סערה אינם חזקים דיים כדי לגרום לפריצה חשמלית רגילה.
  • תצפיות חדשות של קרני-X הנפלטים מברקים תומכות בהשערה כי הברק מצליח בדרך כלשהי להאיץ אלקטרונים למהירות הקרובה למהירות האור בתהליך הקרוי פריצה מתגלגלת.
  • חוקרים בונים בימים אלו בפלורידה מערך של גלאים לקרני-X כדי לחקור את התהליכים הגורמים ליצירת הברק ומאפשרים לו להתקדם.

ועוד בנושא:

The Electrical Nature of Storms. Donald R. MacGorman and W. David Rust. Oxford University Press, 1998

The Lightning Discharge. Martin A. Uman. Dover Publications, 2001

Energetic Radiation Produced during Rocket-Triggered Lightning. Joseph R. Dwyer et al. in Science, Vol. 299, pages 694-697; January 31, 2003

Lightning: Physics and Effects. Vladimir A. Rakov and Martin A. Uman. Cambridge University Press, 2003

ביבליוגרפיה:
כותר: מכת ברק
מחבר: דווייר, ג'וזף ר' (ד"ר)
תאריך: אוגוסט - ספטמבר 2005 
שם כתב העת: סיינטיפיק אמריקן ישראל
עורכי כתב העת: אייזנברג, אלי  (ד"ר) ; מנס, אלכסנדר  (ד"ר)
הוצאה לאור: אורט ישראל. המינהל למו"פ ולהכשרה
הערות: 1. סיינטיפיק אמריקן ישראל יוצא לאור על ידי אורט ישראל, וביוזמתו של הרצל לאור.
הערות לפריט זה:

1. ג'וזף ר' דווייר (Dwyer) הוא מרצה לפיזיקה ולמדעי החלל במכון הטכנולוגי של פלורידה. אחרי שקיבל את הדוקטורט בפיזיקה מהאוניברסיטה של שיקגו ב-1994, הוא עבד כחוקר באוניברסיטת קולומביה ובאוניברסיטה של מרילנד, לפני שעבר לפלורידה ב-2000. המחבר מבקש להודות לה' ראסוול, ו' ראקוב, מ' אל-דאיֶה, ג' ג'ראולד, ל' קראווי, ב' רייט, ק' רמבו וד' ג'ורדן על תרומתם למחקר זה.


הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית