تبیین برق آسمان

بنجامین فرانکلین با هوا کردن بادبادکش در خلال توفان تندری سال 1752 پدیده‌ای را اثبات کرد که به فکر بیشتر دانشمندان هم عصرش نرسیده بود. آن پدیده این بود که برق آسمان، در واقع، جرقه‌ای الکتریکی است. اما هنوز دانشمندان نمی‌دانند که این درخشهای تماشایی از کجا و چگونه آغاز می‌شوند.
چرا یک ابر مواج ناگهان به یک مولد برق قوی تبدیل می‌شود و جرقه‌هایی به طول چندین کیلومتر در پهنه‌ی آسمان تولید می‌کند؟ معمای اصلی این است که چگونه در بخشهایی از یک جسم که در ابتدا از لحاظ الکتریکی خنثی است، بار مثبت و منفی فوق‌العاده زیادی ظاهر می‌شود.
اما ظاهراً پیدا کردن جوابی برای این سؤال خیلی مشکل‌تر از هوا کردن بادبادک است. ارل ویلیامز، زمین فیزیکدانی که در مؤسسه تکنولوژی ماساچوست، برق آسمان را مطالعه می‌کرد، گفت: «ابر تندری چنان عظیم است که به راستی نمی‌توان به آن دسترسی پیدا کرد.»
خیلی‌ها در این راه کوشش کرده‌اند. دانشمندان برای یافتن جواب این پرسشها سوار بر بالون به سوی ابرهای توفانی به حرکت درآمده و خطر مرگ را به جان خریده‌اند؛ با هواپیما در داخل و در اطراف ابرهای تندری به پرواز درآمده وحتی از موشک برای ایجاد برق آسمان استفاده کرده‌اند. اما تمامی این اقدامات نگاهی اجمالی به آنچه در داخل یک ابر تندری می‌گذرد محسوب می‌شوند.
در اکثر موارد بلندی یک ابر تندری باید بیشتر از سه کیلومتر باشد تا برق تولید کند. همواره نواحی بالای ابر تندری فوق‌العاده سرد است؛ عموماً هر چه ابر تندری بلندتر و قسمت بالای آن سردتر باشد، توفان شدیدتر است. هر ابر تندری با میدانهای شدید الکتریکی و جریانهای نیرومند رو به بالا و پایین هوا مشخص می‌شود. معمولاً ناحیه‌ی با بار منفی در قسمت پایین قرار دارد، در حالی که بار ناحیه‌ی سرد بالا مثبت است. اگر این نامتوازنی بار الکتریکی به اندازه‌ی کافی شدید باشد بر ظرفیت عایق هوا غلبه می‌کند و به یک درخش برق منجر می‌شود. این درخش حاصل تخلیه‌ی الکتریسته میان دو ناحیه‌ی با بار مخالف ابر، یا میان قسمت با بار منفی پایین ابر و بارهای مثبت روی زمین است.
اما چه چیز سبب می‌شود بارهای الکتریکی از هم جدا شوند؟ هر ابر تندری عموماً باران تولید می‌کند، و به همین دلیل دانشمندان برای مدتها فکر می‌کردند که رسوب عامل الکتریسیته‌دار شدن آن است. در اکثر نظریه‌های معروف، پدیده‌ی رسوب به این صورت است که قطرات درشت باران یا ذرات یخ به سمت پایین می‌روند و بار منفی با خود حمل می‌کنند. ذرات سبک‌تر با بار مثبت، مثل قطرات ریز برف و بلورهای یخ، در قسمت بالای ابر جمع می‌شوند. میدان الکتریکی حاصل ممکن است درخش برق تولید کند (یا نکند)
ویلیامز محقق انستیتو تکنولوژی ماساچوست و راجر لرمیت از دانشگاه میامی برای اینکه ببینند بعد از جرقه‌ی برق تغییری در سرعت باران ایجاد می شود یا نه از رادار استفاده می‌کردند. استدلال آنها این بود که اگر قطرات سقوط کننده‌ی باران عامل ایجاد انرژی الکتریکی ابر باشند، آن‌گاه باید بر ضد نیروهای الکتریکی جو حرکت کنند و در نتیجه سرعت سقوط آنها به سوی زمین کند شود. اما بعد از جرقه‌ی برق میدان الکتریکی ضعیف می‌شود و قاعدتاً باید سرعت سقوط رسوب بیشتر بشود. اما ویلیامز و لرمیت در اکثر توفانهای تندری نشانی از تغییر ساعت نیافتند.
جان لاثام از دانشگاه منچستر انگلستان، روایـت دیگری از نظریه‌ی رسوب سقوط کننده را مطرح کرده است. در نظریه‌ی لاثام، فرآیند اصلی ایجاد بار الکتریکی شامل برخورد دانه‌های کوچک تگرگ با بلورهای یخ یا قطرات فوق‌العاده سرد آب است. دانه‌های تگرگ ضمن سقوط خرد می شوند و تکه‌های یخ آنها، که بار مثبت دارند، در قسمت بالای ابر جمع می‌شوند، اما دانه‌های با بار منفی و سنگین‌تر تگرگ به سقوط خود ادامه می‌دهند و در قسمت پایین ابر تندری یک قطب منفی تشکیل می‌دهند. اما اگر رسوب سقوط کننده انرژی الکتریکی را تأمین می‌کند، چرا برق آسمان قبل از بارندگی و نه در خلال یا بعد از آن جرقه می‌زند؟ و چرا برق در معدود ابرهایی که دمای آنها بالاتر از نقطه‌ی انجماد است یا توفانهای گرد و غبار یا فورانهای آتشفشان نیز دیده می‌شود؟
در نظریه‌ی برنارد و ونه‌گارت از دانشگاه ایالتی نیویورک، در شهر آلبانی، بارهای هر ابر، در واقع، خارج از ابر تولید می‌شوند. بارهای مثبت اضافی جو به داخل نواحی بالای ابر مکیده می شوند و بارهای منفی جو بالا را جذب می‌کنند. بارهای منفی به ذرات ابر می‌چسبند و جریانهای هوا به طور پیوسته ذرات ابر را به طرف نواحی پایین ابر جاروب می‌کنند. شاید جریان شدید هوای رو به پایین و رو به بالا سازوکاری برای تشکیل بارها و جداگانه داشتن آنها از همدیگر باشد.
اما در این نظریه نیز، مثل سایر نظریه‌ها، هیچ چیز قطعی و یقینی نیست. ویلیامز، وونه گات، و لاثام همه تصدیق می‌کنند که، قبل از تبیین برق آسمان، لازم است مطالب بیشتری در مورد سازوکار داخلی یک ابر تندری بدانند. و اگر آنها این راز را کشف کنند، رازهای بی‌شمار دیگری هنوز پیش روی آنها وجود دارد. به عنوان مثال، هیچ‌کس نمی‌داند که چرا جرقه‌های برق این اشکال عجیب و غریب را به خود می‌گیرند، یا چرا برق آسمان بر روی خشکی بیشتر است تا بر روی دریا، یا چرا معمولاً با اشیاء بلند بر روی زمین برخورد می‌کنند، اما نه همیشه، و هزاران سؤال دیگر از این نوع.