خشم جو زمین مهار می‌شود
آیا دانشمندان لیزرها را برای کنترل رعدوبرق به راه می‌اندازند؟
با جست‌وجو در ویکی‌پدیا می‌توان دید که رعدوبرق رخدادی طبیعی است که بر اثر تخلیه بارهای الکتریکی موجود در ابر رخ می‌دهد. به دلیل شباهت شکل و رنگ رعدوبرق به سنگ الماس در افغانستان به آن الماسک نیز می‌گویند.
ترجمه و گردآوری: عبدالله مصطفایی: با جست‌وجو در ویکی‌پدیا می‌توان دید که رعدوبرق رخدادی طبیعی است که بر اثر تخلیه بارهای الکتریکی موجود در ابر رخ می‌دهد. به دلیل شباهت شکل و رنگ رعدوبرق به سنگ الماس در افغانستان به آن الماسک نیز می‌گویند. بارهای الکتریکی در ابر تحت فرایندی به نام باردارسازی غیرالقایی در ذرات بارشی ابر نظیر بلور یخ و گویچه برف ایجاد شده و پس از جدایی بارها و تشکیل‌شدن مناطق با بارهای مثبت و منفی قابل‌ملاحظه، اختلاف پتانسیل بارهای مثبت و منفی افزایش یافته و با رسیدن به یک مقدار آستانه آذرخش‌های درون‌ابری رخ می‌دهند. البته گفته شده است که پدیده تخلیه بار الکتریکی بین ابر و زمین آذرخش نامیده می‌شود و با رعدوبرق که بین ابرهاست، تفاوت دارد. گرمای حاصل از تخلیه الکتریکی رعدوبرق می‌تواند تا پنج برابر دمای سطح خورشید نیز بالا برود و در نتیجه موج صوتی حاصل از گرمای ناگهانی مولکول‌های هوا به سرعت شکل گرفته و صدای مهیبی را به وجود می‌آورد که تندر نامیده می‌شود. بخشی از فرایند تولید ازن در جو میانه مربوط به تأثیر رعدوبرق است. به این ترتیب که ابتدا رعدوبرق سبب شکسته‌شدن مولکول‌های اکسیژن به اتم‌های اکسیژن شده و سپس اتم‌های اکسیژن با اتم‌های نیتروژن یا مولکول نیتروژن ترکیب شده و به ترتیب نیتروژن اکسید و نیتروژن دی‌اکسید را تشکیل می‌دهند. دو ترکیب یادشده یعنی اکسیدهای نیتروژن نیز با تابش‌های ماورای بنفش به اتم‌های سازنده خودشان شکسته می‌شوند و در نهایت اتم‌های اکسیژن حاصل با ترکیب‌شدن مولکول‌های اکسیژن در حضور عنصری سوم، تشکیل گاز ازن را به همراه خواهند داشت. از این‌رو در دستگاه‌های مولد ازن برای تصفیه آب و فاضلاب و هوا نیز چنین شرایطی ایجاد می‌کنند. البته وقوع رعدوبرق فقط دردسر در پی ندارد؛ چون دانشمندان در جریان یک تحقیق متوجه ترکیباتی به نام «رادیکال‌های هیدروکسیل» در هوا شدند. این ماده بسیار واکنش‌پذیر که بیشتر با عنوان «پاک‌کننده شیمیایی» شناخته می‌شود، از ترکیب‌های شیمیایی مهمی است که در جو می‌توان یافت. داده‌های برداشت‌شده از ابرهای توفانی به هنگام رعدوبرق رادیکال‌های هیدروکسیل بیشتری نسبت به مقدار طبیعی را نشان داده‌اند. دانشمندان تخمین می‌زنند چیزی در حدود دو تا ۱۶ درصد میزان اکسایش جو کره زمین یا تمیزکاری که به‌صورت طبیعی در جو زمین اتفاق می‌افتد، توسط صاعقه انجام می‌شود. درباره کنترل رعدوبرق نیز باید خاطرنشان کرد که برق‌گیر اصطلاحا به میله‌های فلزی گفته می‌شود که در بالای ساختمان‌ها یا در پست‌های فشار قوی نصب می‌شوند تا با برخورد رعدوبرق با این میله‌ها از برخورد مستقیم صاعقه به تجهیزات جلوگیری شود. در مهندسی برق به این وسیله (Lightening rod) یا نیزه نیز گفته می‌شود. این وسیله اولین‌بار توسط «بنجامین فرانکلین» مخترع آمریکایی ابداع شد. قابل ذکر است که فرانکلین در چندین رشته تبحر داشت و جالب آنکه در ۲۰۲۳ مدال صدو‌نود‌و‌نهمین سال جایزه مؤسسه فرانکلین در مهندسی برق به یک پروفسور ایرانی به نام «نادر انقطاع» به دلیل نوآوری‌های دگرگون‌‌کننده‌اش در مهندسی مواد جدید که با امواج الکترومغناطیسی با روش‌های بی‌سابقه‌ای در تعامل هستند و کاربردهای گسترده‌ای در محاسبات فوق‌سریع و فناوری‌های ارتباطی دارند، اهدا شد.
سابقه موضوع لیزر
تقریبا دو سال قبل خبری در این رابطه به نقل از اسپوتنیک منتشر شد. این خبر بیان می‌کرد که یک تیم بین‌المللی از دانشمندان، لیزری ایجاد کرده‌اند که می‌تواند رعدوبرق را کنترل کند، مسیر حرکت آن را تغییر و آن را به نقطه مورد نظر هدایت کند. بررسی‌های جدید دانشمندان بین‌المللی نشان از آن دارند که استفاده از یک فناوری جدید می‌تواند به ما امکان کنترل محل برخورد صاعقه به زمین را داده و از این طریق، خطر آتش‌سوزی‌های فاجعه‌بار را کاهش دهد. این مسئله آنجا اهمیت پیدا می‌کند که متوجه شویم بسیاری از آتش‌سوزی‌های ویرانگر در کشورهای مختلفی نظیر استرالیا بر اثر برخورد رعدوبرق ایجاد می‌شوند. این تیم بین‌المللی از محققان با همکاری دانشگاه ملی استرالیا (ANU) و UNSW هستند و موفق به توسعه پیشگامانه فناوری پرتو لیزری خاصی شده‌اند که توانایی کنترل مسیر و جهت صاعقه را دارد. تیم فوق از پرتوی لیزری استفاده کرده است که شبیه همان روند صاعقه عمل می‌کند و امکان تخلیه‌های الکتریکی را به سمت اهداف خاص دارد. به گفته این دانشمندان، آزمایش مورد اشاره در شرایط جوی مشابه با شرایط رعدوبرق واقعی شبیه‌سازی شده است. آنها معتقدند که «ما می‌توانیم آینده‌ای را تصور کنیم که این فناوری ممکن است باعث تخلیه الکتریکی رعدوبرق شده و به هدایت آن به اهداف ایمن کمک کند و از این راه، خطر آتش‌سوزی‌های فاجعه‌بار را کاهش دهد». در مطالعه فوق، دانشمندان از لیزری با شدت هزار برابر کمتر از موارد قبلی استفاده کردند. این پرتو با به دام انداختن و گرم‌کردن ریزذرات گرافن در هوای محیط کار می‌کند. به گفته آنها، «با گرم‌کردن ریزذرات گرافن به‌دام‌افتاده در پرتو، ما قادر به ایجاد شرایط لازم برای شکست و انتقال الکتریکی در مسیر لیزر فقط با استفاده از یک لیزر معمولی با شدت کم شدیم». آنها می‌افزایند: «این کشف کاربردهای مهمی در کاهش خطر آتش‌سوزی دارد؛ زیرا پرتو لیزری فوق می‌تواند در فواصل طولانی هدایت شود و امکان کنترل دقیق تخلیه رعدوبرق را فراهم کند. درواقع ما چیزی شبیه به یک نخ نامرئی یا یک قلم داریم که می‌توانیم با آن نور بنویسیم و تخلیه الکتریکی را به اندازه عرض یک‌دهم موی انسان کنترل کنیم». این دانشمندان همچنین اظهار کرده‌اند: «این کشف همچنین دارای پتانسیل خوبی برای کنترل مقیاس خرد تخلیه الکتریکی در پزشکی و کاربردهای مربوطه است. برای مثال می‌تواند به‌عنوان یک تیغ جراحی کارا برای از بین بردن بافت سرطانی سخت به روش‌های غیرتهاجمی به کار گرفته شود».
تحقیق جدید
مقدمتا باید گفت مثلا در آمریکا سالانه حدود 40 میلیون بار رعدوبرق رخ می‌دهد. این پدیده طبیعی به طرز وحشتناکی تصادفی است و ما برای مقابله با آن عمدتا به میله‌های برق‌گیر -که همان‌طوری که گفته شد یک فناوری با قدمت تقریبا 300ساله است- متکی هستیم. اما محققان در حال کار بر روی یک راه‌حل قرن بیست‌ویکمی هستند و آن چیزی نیست جز پرتوهای لیزر. همان‌گونه که ذکر شد صاعقه‌گیر یا برق‌گیرکه توسط بنجامین فرانکلین اختراع شد، به خوبی برای دفاع از یک ساختمان کار می‌کند، اما تنها توانایی محدودی برای محافظت از زمین‌های بزرگ‌تر یا تأسیسات گسترده مانند نیروگاه‌های بادی، فرودگاه‌ها و سکوهای پرتاب موشک دارد. به نظر می‌رسد می‌توان از پرتوهای لیزر برای منحرف‌کردن صاعقه از این مکان‌های آسیب‌پذیر استفاده کرد. بنابراین در جدیدترین تلاش گروهی از دانشمندان سعی کرده‌اند با استفاده از لیزر پرقدرت، برخورد صاعقه را به بالای کوهی در سوئیس هدایت کنند. این تکنیک نوعی «میله لیزری برای صاعقه» است که می‌تواند روزی حملات را از زیرساخت‌های مهم در مقیاس بزرگ منحرف کند. نتایج مطالعه جدید محققان این هفته در Nature Photonics منتشر شده است. «جری مولونی»، دانشمند متخصص در زمینه نور در دانشگاه آریزوناست که هرچند یکی از پیشگامان اولیه این کاربرد لیزری بوده اما در این مطالعه شرکت نداشته است. او می‌گوید: «کاری که آنها انجام داده‌اند بسیار چشمگیر است. این یک تنظیم بسیار بسیار پیچیده است». رعدوبرق زمانی اتفاق می‌افتد که اصطکاک بین قطرات آب، معمولا در هنگام توفان یک بار الکتریکی ساکن در ابرها ایجاد می‌کند. این الکتریسیته قبل از تخلیه در یک جرقه غول‌پیکر ایجاد می‌شود که می‌تواند بین ابر و زمین، به سمت بالا یا پایین حرکت کند و مسیر کمترین مقاومت را دنبال کند. صاعقه‌گیرهای معمولی از فلز رسانا ساخته شده‌اند و نقطه ترجیحی برای برخورد صاعقه و سپس هدایت ایمن بار در اطراف ساختمان و داخل زمین فراهم می‌کنند. اما فلز تنها راه جذب رعدوبرق از اهداف آسیب‌پذیرتر نیست. در آزمایش جدید یک لیزر پرقدرت، ستونی از هوا را به یک رسانای الکتریکی تبدیل می‌کند. هنگامی که لیزر شلیک می‌شود، مولکول‌های هوا در فرایندی به نام یونیزاسیون (در مسیر پرتو) از الکترون‌های خود جدا می‌شوند. این امر هوا را که معمولا عایق است، به نقطه‌ای جذاب برای برخورد صاعقه تبدیل می‌کند و به‌طور مؤثر یک صاعقه‌گیر غول‌پیکر، موقت و قابل کنترل در آسمان بالای منطقه‌ای که باید محافظت شود، ایجاد می‌شود. دانشمندان دهه‌ها رؤیای ساختن میله‌های لیزری برای رعدوبرق را در سر می‌پروراندند، اما آزمایش‌های قبلی تا حد زیادی شکست خورده بود. اگر سری به سایت کمیسیون اروپا بزنید، مشاهده خواهید کرد که کارهای مطالعاتی این تحقیق در سال‌های 2017 تا 2020 با عنوان LLR و با مشارکت آلمان سوئیس و فرانسه در فرانسه با یک بودجه تقریبی چهار میلیون یورو انجام شده است و موفقیت‌آمیز‌‌بودن نتایج باعث شد که اجرای آن در محیط واقعی در کوه‌های سوئیس انجام شود. «آرلین هوراد» فیزیک‌دان دانشگاه پلی‌تکنیک فرانسه بوده و نویسنده اول این مطالعه است. وی توضیح می‌دهد که لیزرهایی که در آن زمان در دسترس بودند، تنها می‌توانستند حدود 10 بار در ثانیه پالس کنند که این سرعت برای یونیزه نگه‌داشتن ستون هوا بسیار کند است. این لیزر جدید می‌تواند هزار بار در ثانیه شلیک کند که هر پالس آن یک‌تریلیونم ثانیه طول می‌کشد. هوارد می‌گوید: «اگر بخواهید می‌توانید با این لیزر سنگ را بسوزانید». «ژان پیر وولف»، نویسنده ارشد مقاله و فیزیک‌دان دانشگاه ژنو است. او می‌گوید: «این لیزر دارای قدرت متوسط یک کیلووات است (تقریبا مقدار برق مورد نیاز برای کارکردن یک اجاق گاز یا یخچال بزرگ)». محققان توانایی لیزر خود را برای انحراف رعدوبرق در بالای قله سانتیس که یک قله بلند در کوه‌های آلپ سوئیس است، آزمایش کردند. این محل به این دلیل انتخاب شد که صاعقه حدودا صد بار در سال با برج مخابراتی 124متری مستقر در آن قله برخورد می‌کند. آنجا در طول تابستان 2021، محققان پالس‌های لیزری سریعی را روی ابرهای رعدوبرق به مدت بیش از شش ساعت شلیک کردند. این تیم بر روی 16 صاعقه کار کرد و ابزارهایی که برای ثبت رعدوبرق تنظیم شده بودند، نشان دادند که لیزر مسیر چهار تخلیه صاعقه را در طول آزمایشات به سمت بالا منحرف کرد. در هر چهار مورد، حسگرها اعم از یک دوربین پرسرعت یا یک آشکارساز امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بالا رعدوبرق را در مسیر پرتو ثبت کردند. در 21 جولای، یکی از رعدوبرق‌ها در شرایطی به اندازه کافی روشن اتفاق افتاد که محققان توانستند مسیر رعدوبرق را از دو جهت با استفاده از دوربین‌های سرعت بالا در چندین کیلومتر دورتر فیلم‌برداری کنند. این فیلم نشان می‌دهد که رعدوبرق مسیر لیزر را حدود 50 متر دنبال می‌کند و همچنین نشان می‌دهد که پالس‌ها به هدایت رعدوبرق کمک کرده‌اند. البته در حال حاضر این نتایج مقدماتی هستند و نویسندگان امیدوارند این روش را با داده‌های بیشتری از مطالعات آینده تنظیم کنند. ولف می‌گوید: «گام بعدی نزدیک‌تر به برنامه‌های کاربردی در دنیای واقعی است و اساسا این آزمایش را دوباره انجام می‌دهیم مثلا نزدیک یک سکوی پرتاب یا نزدیک به فرودگاه». لیزر با ایجاد مسیر آسان‌تری برای جریان تخلیه الکتریکی، رعدوبرق‌ها را منحرف می‌کند. هنگامی که پالس‌های لیزر به آسمان شلیک می‌شوند، تغییر در ضریب شکست هوا باعث می‌شود که منقبض شوند به نحوی که مولکول‌های هوای اطراف خود را یونیزه کنند. این منجر به پدیده‌ای می‌شود که مولکول‌های هوا به سرعت گرم می‌شوند و با سرعت‌های مافوق صوت دور می‌شوند و کانالی با چگالی کم و هوای یونیزه‌شده باقی می‌گذارند. این کانال‌ها که برای چند میلی‌ثانیه دوام می‌آورند، رسانای الکتریکی بیشتری نسبت به هوای اطراف دارند و بنابراین مسیر آسان‌تری را برای رعدوبرق شکل می‌دهند. «ایرنه میلر»، استادیار هوانوردی در دانشگاه ایلینوی جنوبی است که البته در مطالعه جدید شرکت نداشته است. او اظهار کرده صاعقه در فرودگاه‌ها یک «مسئله همیشگی» است و نه‌تنها پروازها را به تأخیر می‌اندازد، بلکه می‌تواند کارمندان و مسافران را نیز مجروح کرده یا حتی بکشد. اکثر فرودگاه‌ها در حال حاضر در زمانی که خطر رعدوبرق زیاد است برای جلوگیری از تاکسی‌کردن یا فرود هواپیماها به سیستم‌های هشدار اولیه متکی هستند. هنوز مشخص نیست که چگونه فناوری رعدوبرق لیزری ممکن است با این تنظیمات تطبیق داده شود؛ زیرا حتی لیزرهای کوچکی که به سمت آسمان نشانه بروند برای خلبانان خطرناک هستند. محققان در طول آزمایش اخیر خود در بالای کوه، با مقامات هوانوردی برای تعیین منطقه پرواز ممنوع در اطراف قله سانتیس هماهنگی کردند. یکی از راه‌های رسیدگی به چنین نگرانی‌هایی می‌تواند تنظیم طول موج و قدرت لیزر باشد و محققان این مطالعه امیدوارند این ایده‌ها را در پروژه‌های آینده بررسی کنند. پروفسور «حداد» دارای یک آزمایشگاه مختص رعدوبرق در دانشگاه کاردیف انگلستان است. او این آزمایشگاه را با همکاری گروه ایرباس راه‌اندازی کرده است و بر روی اثرات رعدوبرق بر هواپیماها و توربین‌های باد تحقیق می‌کند. او می‌گوید: «هرچند هزینه سیستم‌های لیزری در مقابل هزینه یک میله فلزی بسیار زیادتر است ولی با این وجود لیزر می‌تواند راه‌حل قابل اعتمادتری برای محافظت تأسیسات و تجهیزات مهم و باارزش موجود بر روی زمین باشد».
Scientific American, 18Jan. 2023
Guardian, 16Jan. 2023