برق
البَرْق هو الضوء الذي يظهر فجأة في قلب السماء في الأيام التي تتغير فيها أحوال الجو، وهو عبارة عن الضوء الناشئ نتيجة تصادم سحابتين إحداهما تحمل شحنة كهربائية سالبة والأخرى تحمل شحنة كهربائية موجبة وبذلك ينتج عن التصادم شرارة قوية تصدر على هيئة الضوء الذي نراه فجأة ثم يختفي، كما أن هذا الضوء يعقبه صوت عالٍ قادم من السماء وهو ما يسمى بالرعد، والاثنان معًا يطلق عليهما اسم الصاعقة.
بنيامين فرانكلين (1706-1790) سعى لاختبار نظرية أن الشرار يتشارك في بعض التشابه مع البرق باستخدام البرج الذي كان يتم بناؤه في فيلادلفيا. في انتظار الانتهاء من البرج، حصل على فكرة استخدام جسم طائر مثل طائرة ورقية. خلال العواصف الرعدية التالية، والتي كانت في يونيو 1752، ذكر أنه رفع الطائرة الورقية في السماء، بمرافقة ابنه الذي يرافقه كمساعد له. على نهاية السلك قام بإرفاق مفتاح، وربطه مع صندوق بريد عن طريق خيط حريري. ومع مرور الوقت، لاحظ فرانكلين الألياف التي تم خسارتها تتمدد لخارج الخيط؛ ثم جلب يده بقرب المفتاح وقفزت شرارة. الأمطار التي سقطت خلال العاصفة قد أرهقت الخيط وجعلته موصلا للكهرباء.
لم يكن بنجامين فرانكلين أول من يقوم بتجربة الطائرة الورقية. توماس فرانسوا ديلابارد وديلورس قاما بها في مارلي-لا-فيل في فرنسا قبل بضعة أسابيع من تجربة فرانكلين. في سيرة فرانكلين الذاتية المكتوبة بين عامي (1771-1788) والمنشورة لأول مرة في 1790، صرح فرانكلين أنه قام بالتجربة بعد تجربة الفرنسيين التي وقعت قبل أسابيع من تجربته، دون علم مسبق له. 1752.
بعد انتشار أخبار التجربة وتفاصيلها، قام البعض بمحاولة تكرار لها. مهما يكن، التجارب التي تتضمن استخداما لبرق تكون خطرة دائمًا وتكون مميتة بشكل متكرر. إحدى أشهر حالات الوفاة المعروفة التي كانت في فترة مقلدين فرانكلين هو البروفيسور جورج ريتشمان من سانت بترسبرغ في روسيا. قام بتجهيز عدّة مشابهة لعدّة فرانكلين كان ينوي القيام بها في كلية العلوم عندما سمع صوت برق. ذهب وقتها إلى البيت مسرعًا ومعه حافر قوالب معدني لكي ينتهز الفرصة. وفقًا للشهود، عندما كانت التجربة قيد التجهيز، ظهرت كرت برق واصطدمت في رأس ريتشمان، مما أدى إلى وفاته.
على الرغم من أن التجارب في وقت فرانكلين أظهرت أن البرق يقوم بتفريغ الكهرباء الساكنة، كان هناك تغيير طفيف حيال فهم نظرية البرق (خصوصًا عن كيفية نشوءها) لمدة 150 عامًا.
الدفعات الجديدة من الباحثين الجدد يأتون من مجالات هندسة الطاقة: كما في خطوط نقل الطاقة الكهربائية دخلت حيّز الخدمة، يحتاج المهندسون معرفة الكثير عن البرق لتوفير حماية كافية للخطوط والمعدات. في 1900 قام نيكولا تيسلا بتوليد برق اصطناعي عن طريق استخدام ملف تيسلا كبير، مما يتيح من توليد تردد جهد عالي ضخم بما يكفي لإنشاء برق.
متوسط الصاعقة التي تضرب محملة بالشحنات السالبة هو 30 أمبير، وتنقل ماقيمته خمسة كولومات و 500 جول من الطاقة. الصواعق الشديدة للبرق من الممكن أن تحمل ما قيمته 120 أمبير و 350 كولوم. الجهد الكهربائي متناسب مع طول الصاعقة.
أما متوسط الصاعقة التي تضرب محملة بالشحنات الموجبة، تحمل 300 أمبير من الطاقة الكهربائية، مايساوي عشرة أضعاف متوسط الصاعقة المحملة بالشحنات السالبة.
ليس فقط في حالة الانكسار الكهربائي في الهواء، يكون البرق في أوج تطوره، مع أنها توفر ماقيمته ثلاثة ملايين فولت لكل متر. الحقول الكهربائية المحطية مطلوبة من أجل توالد وتنامي عملية البرق، والتي تكون أحد أو اثنين من القيمة الأساسية، أقل من مقاومة الانكسار الكهربائي. الجهد الكامل ينحدر داخل قناة لصاعقة معاكسة تطورت إلى حدٍ جيد، على حسب ترتيب المئات من الفولتات لكل متر بسبب شدة التأين للقناة، مما ينتج خروج قوة حقيقة تقدر بالميغا واط لكل متر لقوة صاعقة عكسية قيمتها 100 أمبير. متوسط العلو لمخرجات طاقة كهربائية لصاعقة واحدة، هو حوالي تيراواط (10 W) وتدوم مدة الضربة لثلاثين مايكروثانية.
ترفع ضربة البرق درجة حرارة الهواء بشكل متزايد للأماكن الملاصقة للضربة إلى حدود 20,000 °م (36,000 °ف) - حوالي ثلاثة مرات درجة حرارة سطح الشمس. ويقوم حينها بضغط الأجواء الصافية المحيطة بالضربة وينتج موجة صدمة أسرع من الصوت، والتي تضمحل إلى موجة صوتية والتي تسمع وتسمى بالرعد.
الضربة المعاكسة لصاعقة البرق تتبع شحن للقناة لما عرضة سنتيمتر (0.4 إنش).
الأماكن المختلفة لها جهود كهربائية مختلفة وتيارات مختلفة لمتوسط ضربات البرق. على سبيل المثال، في ولاية فلوريدا، والتي بها أكبر عدد مسجل لضربات البرق في الولايات المتحدة في فترة معينة خلال فصل الصيف، بها الكثير من الأراضي الرملية في بعض المناطق، وأخرى مليئة بالسماد الموصل. على قدر ما هي (ولاية فلوريدا) ممتدة على شبه جزيرة، فهي محاطة بمياه المحيط من ثلاث جهات. والنتيجة هي التطورات اليومية لهيجان الحدود للبحر والبحيرات والتي تتعارض وتنتج الكثير من العواصف الرعدية. الاختلاف في أية حالة للطقس ربما يؤدي إلى تجانس مستويات مختلفة للفولتات بين الغيوم والأرض. وجد علماء ناسا أن موجات الراديو التي تنتج بواسطة البرق هي منطقة صافية وآمنة في الحزام الإشعاعي المحيط بالأرض. هذه المنطقة تعرف بـ شِق (حزام فان ألن الإشعاعي)، والتي هي مرفأ آمن للأقمار الصناعية، وكأنها تعرض الحماية من إشعاعات الشمس الخطرة.
تبلغ سرعة البرق بضعة عشرات إلى مئات من الكيلومترات في الثانية الواحدة (قد تصل إلى 250 كيلومتر في الثانية للقائد و100 ألف كيلومتر في الثانية للدارة المقصورة الراجعة من الأرض). يلبس البعض بين سرعة البرق وبين سرعة الضوء حيث يعتقدون بأنها نفس السرعة نظرًا لما يرونه من إشعاع عبر مسار الصاعقة حيث يكون انتشار الأخير بسرعة الضوء.
تكون سرعة الذيل الأسفل التي تغادر سحابة إلى الأرض أكثر من غيرها عادة، مع ذلك لا زالت أقل بكثير من سرعة الضوء. لما كانت عملية التفريغ محتوية على إلكترونات تم فصلها عن ذراتها فإنها تتسارع تحت تأثير المجال الكهربائي الناجم عن فرق الجهد الكهربائي بين السحابة وبين الأرض. تصطدم هذه الإلكترونات بجزيئات وذرات أخرى في طريقها محررة إلكترونات أخرى، مخلفة بالتالي قناة من الهواء المتأين.
من ناحية أخرى فإن هذه العملية لا تتم دفعة واحدة وإنما على دفعات متتالية. يأخذ "القائد" -leader (أول ضربة للتفريغ البرقي) مجراه على مراحل، محدثًا برقًا على طول 30 متر تقريبا في كل مرحلة وبزمن مقداره حوالى ميكروثانية (جزء من مليون من الثانية). كما أن هناك فترة توقف تبلغ حوالى 50 ميكروثانية بين كل مرحلة والتي تليها.
عند اقتراب الشحنات من الأرض يحدث التحام بينها وبين الشحنات الصاعدة من الأرض مكونة قصر في الدائرة. تبلغ سرعة عودة البرق من الأرض نحو المنطقة المتأينة سرعات عالية قد تصل إلى ثلث سرعة الضوء، مخلفًا الجزء الأعظم من الضوء الوهاج.حسب فرضية الحث كهروسكوني يتم الشحن بواسطة مستقلة لعملية غير معروفة إلى الآن. عملية فصل الشحن يبدو أنها تتطلب سَحبًا عاموديًا قويًا والتي تحمل قطرات الماء للأعلى، ثم يكون هناك تبريد شديد للقطرات لما بين -10 و-20 °م. تتعارض هذه مع بلورات الثلج، لتكوّن خليطًا مائيًا-ثلجيًا ناعمًا يسمى بالبَرَد الناعم. تـُنتج التصادمات شحنات موجبة قليلة العدد سرعان ما تنقل إلى البلورات الثلجية، وشحنات سالبة قليلة يتم شحنها إلى البَرَد. ومن ثم تقوم عملية السحب بأخذ البلورات الأخف وزنًا للأعلى، مما يجعل الغيمة التي في الأعلى تكدّس شحنات موجبة بشكل متزايد. تتسبب الجاذبية بإبقاء البَرَد الأثقل المشحون بالسالب في وسط ومنتصف الغيمة، مما يزيد من الشحن السالب للبرد. عملية الفصل الكهربائي والتراكم تتابع إلى أن تكون مرحلة الكُمون الكهربائي كافية لبدأ إفراغ البرق من الشحنات، والتي تظهر عندما تكون توزيعات الشحنات الموجبة والسالبة قوية بما فيه الكفاية لتكوّن حقلًا كهربائيًا.
بأية طريقة فصل شحنات، لا تزال فرضية الميكانيكية موضع أبحاث. فرضية أخرى، هي الاستقطاب الميكانيكي والتي لها مكوّنان اثنان:هناك عدة فرضيات أخرى حول بدايات فصل الشحنات.
خلال تحرك الغيوم الرعدية فوق سطح الأرض، تتساوى عملية الشحن الكهربائي، لكن عكس الشحن لقاعدة الغيمة الرعدية يتم حثّها في الأرض تحت الغيمة. تتبع الشحنات الأرضية المستحثة تحركات الغيمة، لتبقى تحتها.
التفريغ الأولي مزدوج القطبية، أو طريق الهواء المتأين، يبدأ من خليط ماء وثلج مشحون بالسالب في الغيمة الرعدية. إفراغ القنوات المتأينة يعرف بـ "المرشدات". المرشدات السالبة عمومًا هي مرشدات خطيّة (مفردها: خطوة). تنشئ لأسفل في عدد من القفزات السريعة (الخطوات). كل قفزة يبلغ طولها لما بين (15 إلى 30 متر)، ولكن ربما قد تصل في بعض الأحيان إلى (50 متر). خلال هبوطها، تتفرع المرشدات الخطية إلى عدد من المسارات. تقدُّم المرشدات الخطية يأخذ وقتا أطول نسبيًا (المئات من الميلي ثانية) لتصل إلى الأرض. تُدخِل هذه الحالة الأولية تيارا كهربائيا صغيرا نسبيًا (العشرات أو المئات من الأمبير). والمرشد تقريبًا مختفي عند المقارنة مع قناة البرق اللاحفة.
عندما تصل المرشدات الخطية للأرض، يعزز حضور الشحنات المعاكسة على الأرض القة للحقل الكهربائي. الحقل الكهربائي أقوى على الأرض المتصلة بالمواد التي تكون أعلاها أقرب لقاعدة الغيمة الرعدية، مثل الأشجار والمباني العالية. إذا كان الحقل الكهربائي قويا بما فيه الكفاية، التفريغ بالتوصيل يسمى (الشريط المتحور الموجب positive streamer)، من الممكن أن يتطور من هذه النقاط. كانت هذه أول فرضية بواسطة هاينز كاسيماير (Heinz Kasemir). مع تزايد الحقول، من الممكن أن يستخرج الشريط المتحور الموجب ليصبح أسخن، المرشدات الحالية الأعلى والتي تتصل في نهاية المطاف مع المرشدات الخطيّة الهابطة من الغيمة. ومن المحتمل للعديد من الأشرطة المتحورة أن تتطور مع المواد في وقت واحد، والإبقاء لواحدة فقط مع المرشد لتكوين مسار التفريغ الرئيسي. وقد التُقطت صور فوتوغرافية واضحة جدًا تبين الأشرطة المتحورة الغير متصلة.
و عندما يتم إنشاء قناة للهواء المتأين بين الأرض والغيمة تصبح هذه القناة "مسارا للمقاومة الأقل" وتتيح لتيارات أكبر بكثير لتنتشر من الأرض لتعود مرة أخرى للمرشد في الأعلى عند الغيمة. هذه هي "الصاعقة العكسية" وهي الأشد إضائة والجزء الأكثر لافتًا للنظر لتفريغ البرق.
عندما يكون الحقل الإلكتروني قويا بما فيه الكفاية، التفريغ الكهربائي (لصاعقة البرق) يحدث خلال الغيوم أو بين الغيوم والأرض. خلال الصعق، أجزاء متاعقبة من الهواء تصبح قناة تفريغ قابلة للتوصيل عندما يتم سحب الإلكترونات والأيونات الموجبة التي في جزيئات الهواء من بعضها البعض وتجبر على التدفق في الاتجاه المعاكس.
التفريغ الكهربائي يزيد من حرارة قناة التفريغ بشكل متزايد، مما يسبب توسع الهواء بشكل سريع وإنتاج موجة صدمة تسمع ألا وهي (الرعد). الالتفاف للبرق والتبدد المتدرج للعلعة الرعد تكون بسبب تأخر الوقت لوصول الصوت من أماكن مختلفة على طول الصاعقة.
نظرية حول بدايات نشؤ البرق، معروفة بـ (نظرية هروب الانكسار، ، تم تقديمها بواسطة العالم الروسي ألكسندر جوريفيتش من معهد ليبيدوف الفيزيائي في سنة 1992، اقترح أن صعقات البرق تطلق بواسطة أشعة كونية والتي تقوم بتأيين الذرات، مما يصدر عنه إلكترونات تتسارع بواسطة الحقول الكهربائية، والتي تأيين بدورها جزيئات الهواء مما يجعل الهواء موصلا بواسطة انكسار الهروب، عندها تقوم "ببذر" أو بداية إنشاء لصاعقة البرق.
لقد تم الاكتشاف في الخمسة عشر سنةً الماضية خلال التجارب والعمليات على ظاهرة البرق، أنه يوجد بعض المكائن قادرة على توليد أشعة غاما، والتي تمر عبر الغلاف الجوي والتي يتم مراقبتها عبر السفن الفضائية المدارية. والتي بدأ اكتشافها جيرالد فيشمان أحد علماء وكالة الفضاء الأمريكية في سنة 1994 في مقالة تختص "بالعلم"، والتي تسمى بـ (ومضات أشعة غاما الأرضية) واختصارها (TGFs)، والتي لوحظت عن طريق الصدفة عندما كان يوثّق اقتراحات انفجارات أشعة غاما التي تقع خارج حدود كوكب الأرض، وكان تلك الملاحظة في مرصد كمبتون لأشعة غاما. مدة ومضات أشعة غاما الأرضية أقل بكثير، بحدود 1 ملي ثانية.
عمران إنان، أستاذ في جامعة ستانفورد، ربط بين ومضات أشعة غاما الأرضية وصاعقة برق فرديّة والتي تحدث خلال 1.5 ملي ثانية من وقت حدث ومضات أشعة غاما الأرضية،، مما يثبت ولأول مرة أن ومضات أشعة غاما الأرضية كانت من مصدر جويّ ومتحدة من ضربات البرق.
سجل مرصد كمبتون لأشعة غاما 77 حالة خلال 10 سنوات، مهما يكن، حديثًا قامت سفينة الفضاء (RHESSI) بالتبليغ بواسطة ديفيد سميث أنه لاحظ ومضات أشعة غاما الأرضية بنسب أعلى بكثير، مما يدل على حالات حدوثها قرابة 50 مرة باليوم عالميًا (تمثل رقما كسريا صغيرا جدًا بالنسبة لمجموع حالات البرق في الكوكب). مستوى الطاقة المسجل تعدى 20 ميجا فولت. علماء من جامعة دوك، قاموا أيضًا بدراسة الرابط بين حالات برق ميعنة وانبعاثات أشعة غاما الغامضة والتي تنبعث من الغلاف الجوي الخاص بالأرض، على ضوء الملاحظات الأحدث لومضات أشعة غاما الأرضية من قِبل سفينة الفضاء (RHESSI). تقترح دراساتهم أن إشعاعات أشعة غاما تنبع إلى الأعلى من نقاط بداية تقع في ارتفاعات منخفضة مثيرة للدهشة في الغيوم الرعدية.
ستيفن كومر من مدرسة الهندسة في جامعة دوك قال:
فرضيات سابقة أشارت إلى أن البرق يولد حقولا كهربائية على ارتفاعات أعلى من الغيوم، عندما يسمح الغلاف الجوي النحيل لأشعة غاما بالهروب من خلاله إلى الفضاء، معروفة بـ (هروب الانكسار النسبي)، مشابهة لطريقة (برق الغلاف الجوي العلوي أو الأشباح). اقتُرح أيضًا أنه لربما أن ومضات أشعة غاما الأرضية تنتج من أعلى الغيوم الرعدية، وإن كانت تعوَّق بواسطة امتصاص الغلاف الجوي لأشعة غاما الهاربة، هذه النظريات لا تتطلب على نحو استثنائي الحقول الكهربائية العالية التي تتعمد عليها نظريات المرتفعات العالية لومضات أشعة غاما الأرضية.
دور ومضات أشعة غاما وعلاقتها مع ظاهرة البرق لا زالت موضع دراسات علمية جارية.
أشرطة فيديو عالية السرعة (تفحص إطارًا إطارًا) أظهرت أن أشد البروق صعقًا تنشًا بواسطة عدة ضربات برق فردية. الضربة النموذجية تتكون من 3 إلى 4 ضربات. من الممكن أن يكون العدد أكبر.
كل إعادة صعقة أو إعادة ضربة يتم فصلها بواسطة وقت فراغ يعتبر كبيرا بالنسبة للبرق (تقريبًا 40 إلى 50 ميلي ثانية، في الحالات النموذجية). من الممكن أن تتسب إعادة الصعقات تأثيرات "تسليط الضوء" بشكل ملاحظ.
كل صعقة متعاقبة تسبق بواسطة "سهم مرشد" متوسط ماثل للصعقة، لكن أضعف من المرشدات الخطيّة الأولية. الصعاقة عادة ما تعيد استخدام التفريغ للقناة المأخوذ بواسطة صاعقة سابقة.
التغيرات في التفريغات المتعاقبة هي نتيجة حقول أصغر للشحن خلال السحاب الذي يستنفذ بسبب الضربات المتتابعة.
يتم تمديد صوت الرعد من صاعقة البرق، بواسطة ضربات متتالية.
البرق من السحاب للأرض.
البرق الخرزي .
البرق الشريطي .
البرق المتقطع ، وهي صعقة برق من نوع (من السحاب للأرض) والتي تدوم مدتها خلال فترة قصيرة، تظهر بشكل فردي ذات ومضة ساطعة وغالبًا ما يكون لها تفرعات.
البرق المتفرع ، وهو اسم ليس للاستخدام الرسمي للبرق من نوع (من السحاب للأرض) والتي تظهر تفرعات تسمى بـ (البرق المتفرع).
البرق من الأرض للسحاب .
البرق من السحاب للسحاب .
البرق الورقي ، هو الاسم الغير رسمي للبرق من النوع (من السحاب للسحاب) والذي يصور انتشار السطوع لسطح الغيمة، والتي يتم نشوءها بسبب إخفاء مسار التفريغ الحقيقي.
البرق الحراري ، يحدث بينما يكون من الصعب جدًا سماع الرعد. يحصل هذا بسبب أن البرق يولد صوت بعيد جدًا ويتبدد هذا الصوت قبل الوصول للمراقب (الشخص الحاضر).
البرق الجاف ، يستخدم هذا المصطلح في الولايات المتحدة للبرق الذي يحدث بدون وجود ترسبات على السطح. هذا النوع هو المتسبب الأول بحرائق الغابات . السحاب المترسب ينتج البرق لنفس السبب الذي تنتجه الغيوم السوداء. يحدث هذا النوع عندما تكون الطبقات الجوية العلوية للغلاف الجوي أبرد والسطح يكون أسخن بدرجات عالية بسبب حرائق الغابات أو البراكين، إلخ. النقل الحراري سوف يحصل ويولد حينها النقل الحراري البرق. لهذا السبب، تولد النار البرق الجاف من خلال تطورات عواصف رعدية أكثر جفافًا والتي تتسبب بدورها بالمزيد من الحرائق.
البرق الصاروخي ، وهو نوع من التفريغ السحابي، أفقي عمومًا وعلى قاعدة السحابة، مع ظهور قناة واضحة للتطور من خلال الهواء، بسرعة يمكن مشاهدتها، غالبًا بشكل متقطع.
البرق الموجب .
كرة البرق .
برق الغلاف الجوي العلوي .
برق الأشباح . 
برق النفاثات الزرقاء . 
برق الأقزام .
أظهرت السجلات التي التقطتها ناسا لسلاسل الأعاصير والبرق حول الكرة الأرضية بأن غالبيتها العظمى تحدث في اليابسة فقط بالرغم من المساحة الغالبة للمياه. يكمن أحد الأسباب في أن الصاعقة تبحث غالبًا عن أقصر مسار وتمثل اليابسة المسار الأقصر كونها أعلى ارتفاعا عن مستوى سطح البحر وهذا يفسر سبب ندرة حوادث الصواعق للكائنات البحرية.
الجدير بالذكر أن الكائنات البحرية تبقى على قيد الحياة تقريبا حتى مع ضرب الصاعقة لسطح المياه ويعود ذلك لعدم قدرة البرق على اختراق السطح المائي لمسافات أعمق حيث تختبئ هذه الكائنات. إن صعوبة اختراق البرق لمسطح مائي هي بسبب ظاهرة تدعى تأثير القشرة- Skin effect وتقوم هذه الظاهرة بتحويل قشرة الموصل الخارجية إلى عنصر حثي تزداد معاوقته بزيادة تردد الدائرة الحثية أو بنقص زمن الانتقالية وكذلك بزيادة مقاومة الموصل النوعية (الماء المالح هنا أكثر مقاومية من الموصل المعدني). مع ذلك تظل الصاعقة خطرا يهدد الكائنات التي تسبح على سطح المياه كالبشر كون تيار الصاعقة منتشرا حول نقطة الضربة لمسافات كبيرة على السطح.