לפני הברק נוצר ברק חלש יותר שסולל את הדרך לברק הנראה. מחקר חדש מסביר כיצד זה קורה
כל ילדה וילד יודעים שברקים מתקדמים בצורת קו שבור שיוצר מעין "זיגזג". אבל למה דווקא בצורה הזו? התופעה הזו, וכך גם העובדה שהברק מתקדם לאורך קילומטרים מענן הסערה לעבר הקרקע על אף שהאוויר מבודד חשמלית, מעסיקות מדענים כבר שנים רבות. מאמר שפורסם לאחרונה, של החוקרים ג'ון לווק (Lowke) ואנדרה סילי (Szili) מאוניברסיטת דרום אוסטרליה, שופך אור חדש על התעלומה.
ברקים הם אחת מתופעת הטבע המרשימות ביותר בכדור הארץ. הם אוצרים בתוכם זרם חשמלי אדיר בעוצמה של עשרות אלפי אמפר, שמהירותו יכולה להגיע למאתיים אלף קילומטרים בשנייה. האנרגיה שמעבירים הברקים מעלה את טמפרטורת האוויר לעשרות אלפי מעלות צלזיוס וגורמת לו להתפשט במהירות. כך הם יוצרים גלי הלם, ומשמיעים את קול הפיצוץ שאנחנו מכנים רעם. מרבית הברקים נשארים בתוך העננים או ביניהם, שם קשה מאוד לחקור אותם. קל יותר לחקור ברקים שנעים אל הקרקע, אך תהליכים רבים שמתרחשים בהם עדיין לא מובנים במידה מספקת.
עם המצאת המצלמה והתפתחות שיטות לצילום מהיר, התברר שהברק מורכב מכפי שהוא נראה לעין האנושית. בצילומים נחשף שלפני הברק החזק שאנו רואים מופיע לכמה מאיות השנייה ברק חלש יותר, שמתקדם בשלבים מקוטעים לעבר הקרקע. בכל שלב הברק מתקדם כמה עשרות מטרים בהבזק מהיר בן מיליונית השנייה, ואז נעצר, מחשיך לכמה עשרות מיליוניות השנייה, וחוזר חלילה. בכל שלב הברק מתקדם לכיוון שונה במקצת, ולעיתים גם מתפצל למספר כיוונים. כשהברק החלש מגיע אל הקרקע עולה ממנה זרם חשמלי אדיר – הברק החזק – ומאיר את השמיים בהבזק שיוצר גם את הרעם. הברק החזק נע במסלולו השבור של הברק החלש, וכך נוצרת התבנית המוכרת. ברקים נוספים עשויים להופיע באותו מקום מיד לאחר מכן והדבר עשוי להראות לנו כהבהוב.
צילום מהיר חושף תמונה מורכבת של היווצרות הברקים | צילום דן רובינסון
נראה שהברק החלש יוצר ערוץ עם מוליכות גבוהה – אזור באוויר שדרכו יכול זרם חשמלי לנוע בקלות. דרך הערוץ הזה נעים אלקטרונים לאורך הברק החלש המתקדם מן הענן אל עבר הקרקע, ודרכו גם עובר הברק החזק שעולה מן הקרקע. מוליכות חשמלית גבוהה מצריכה חלקיקים בעלי מטען חשמלי שיכולים לנוע בחופשיות, למשל אלקטרונים שהתנתקו ממולקולות אוויר. אך מה גורם לניתוק האלקטרונים הזה? ידוע ששדה חשמלי חזק יכול לגרום לכך, אך באזורים החשוכים של הברק נמדדו רק שדות חשמליים חלשים מכדי לנתק אלקטרונים. על כן, עד כה לא היה ברור מה קורה למולקולות האוויר שמאפשר את הולכת החשמל.
לדברי לווק התשובה טמונה במולקולות חמצן מעוררות: "כשאלקטרון עם מספיק אנרגיה פוגע במולקולת חמצן, הוא מעורר אותה למצב מסוים שמשחרר אלקטרונים במגע עם יונים שליליים של חמצן. אלקטרונים אלו הם שמאפשרים את ההולכה החשמלית".
בחזית הברק החלש ישנם חלקיקי מים וקרח מן הענן שמטענם החשמלי שלילי. הם גורמים לשחרור מעט אלקטרונים בסביבתם, וכך נוצרים אטומי חמצן שיש להם אלקטרון עודף - יוני חמצן. עם הזמן, האלקטרונים פוגעים בעוד ועוד מולקולות חמצן ומעוררים אותן. כשריכוז המולקולות המעוררות עולה, עולה גם ריכוז האלקטרונים שהן משחררות מהיונים השליליים, וכשהריכוז מגיע לשיא נוצר מקטע נוסף של ערוץ ההולכה, שבתוכו יכולים האלקטרונים לנוע בחופשיות.
בשלב זה, המתח החשמלי הרב שבקצה הברק מאיץ את מהירות האלקטרונים, ונוצר הבזק אור קצר. אחריו המקטע מחשיך וכל התהליך מתחיל מחדש. יחד, יוצרים כל המקטעים ערוץ הולכה שמגיע כל הדרך חזרה אל הענן. מולקולות מעוררות בתוך ערוץ ההולכה משחררות מן היונים השליליים אלקטרונים, ואלה חופשיים לנוע עד שהם נתקלים במולקולות נייטרליות של חמצן, חוברים אליהן ויוצרים יונים שליליים חדשים. כך נשמרת לאורך כל התהליך כמות גדולה של אלקטרונים חופשיים בערוץ ההולכה ללא צורך בשדות חשמליים חזקים.
בכל שלב הברק מתקדם כמה עשרות מטרים בהבזק מהיר בן מיליונית השנייה, ואז נעצר, מחשיך לכמה עשרות מיליוניות השנייה, וחוזר חלילה. | אילוסטרציה: NOAA
לפי לווק, מולקולות החמצן המעוררות נמצאות במצב יציב למחצה, ודרושות להן כ-45 דקות לחזור מעצמן למצבן הרגיל. בזמן סופת ברקים הן חוזרות למצבן הרגיל תוך פחות משנייה בשל התנגשויות עם מולקולות אחרות, אך פרק הזמן הזה מספיק לברקים כדי לבנות את ערוץ ההולכה ולעבור בו. התיאוריה החדשה מסבירה כיצד נוצר ערוץ ההולכה, ונראה שהיא תואמת את התצפיות. עם זאת, כדי להכריע אם זהו אכן הפתרון לתעלומה נדרשות מדידות נוספות.
לווק מוסיף ש"חשוב להבין את תהליך היווצרות הברקים כדי להתגונן מפניהם טוב יותר. אומנם נדיר שברקים פוגעים בבני אדם, אך הם מסבים נזק לבניינים כל הזמן". בתקופה של שינויי אקלים, כאשר אירועי מזג האוויר הקיצוניים רק מתרבים עם הזמן, ופגיעות ברקים נעשות שכיחות יותר, הבנת המנגנונים שבבסיסם חשובה במיוחד.
