الاضطراب وديناميكا الجسيمات في سحب بركانية في أجواء رطبة

لماذا تهم البراكين المائية

عندما نتخيل ثورانًا بركانيًا، نميل إلى التركيز على النار والرماد والحمم. لكن في يناير 2022، أضاف ثوران هونغا تونغا–هونغا هاʾأبي شيئًا غير مألوف إلى المزيج: كمية هائلة من الماء رُفعت إلى ارتفاعات في الغلاف الجوي لم تُسجَّل من قبل. ساعدت تلك الرطوبة في تحفيز برق قياسي وسحابة ضخمة على شكل مِظلة امتدت نصف عرض قارة تقريبًا. تسأل هذه الدراسة سؤالًا يبدو بسيطًا لكن له عواقب كبيرة على الطيران والمناخ وإنذارات المخاطر: كيف يغير الماء الإضافي في الهواء وضمن الثوران نفسه طريقة نمو السحابة البركانية وتكوين اضطرابها ووميضها بالبرق؟

انفجار قياسي فوق المحيط

يأخذ الباحثون حدث هونغا تونغا–هونغا هاʾأبي (HTHH) لعام 2022 كنقطة انطلاق. أنتج هذا البركان تحت البحر واحدًا من أقوى الثورات المسجلة بالأدوات الحديثة، حيث أرسل عمودًا شامخًا من المواد إلى نحو 57–58 كيلومترًا من الارتفاع وتوسع إلى سحابة على هيئة مظلة بعرض يقارب 400 كيلومتر في أقل من ساعة. على نحو غير معتاد، ضخّ الثوران كميات هائلة من بخار الماء إلى طبقات من الغلاف الجوي عادةً ما تكون جافة جدًا. وفي الوقت نفسه، سجلت شبكات كشف البرق ما يقارب 400,000 ومضة في حوالي ست ساعات، تشكل الكثير منها حلقات دائرية لافتة حول عمود الثوران. أظهرت بيانات البالونات الجوية اللاحقة أن الهواء على ارتفاعات عشرات الكيلومترات أصبح أكثر رطوبة بعد المرحلة الأولى من الثوران، مهيئًا لحدوث سلسلة ثانية من النبضات الانفجارية.

متابعة حلقات الضوء إلى الحركات الخفية

اتضح أن تلك الحلقات البرقية أكثر من مجرد فضول بصري. لأن السحب الكثيفة من الرماد تمنع الرؤية المباشرة إلى قلب العمود، فإن نمط البرق يوفر نافذة نادرة إلى الحركات الدوامية الخفية—الالتواءات، وحلقات الدوامة، والالتفافات المضطربة—في الداخل. أشارت أعمال سابقة إلى أن الاضطراب داخل سحابة المظلة يدفع جسيمات الرماد والجليد إلى مناطق شبيهة بالحلقات، حيث تتصادم أكثر وتتراكم شحنات كهربائية فتؤدي إلى البرق. مع ذلك، كانت النماذج السابقة تفترض غلافًا جويًا جافًا، رغم أن حدث HTHH وقع بوضوح في بيئة شديدة الرطوبة. تهدف الدراسة الجديدة إلى استكشاف كيف تُعيد الرطوبة، سواء في الهواء المحيط أو في المزيج الثائر نفسه، تشكيل تلك الحلقات المضطربة، وتؤثر على ارتفاع العمود، وتغير حركة الجسيمات وتصادمها.

بناء بركان رقمي في سماء رطبة

لمعالجة ذلك، استخدم الفريق محاكاة حاسوبية ثلاثية الأبعاد عالية الدقة لغلاف جوي رطب ومستقر طبقيًا، قاموا بحقن "ثوران" بسيط ومستمر من الأسفل فيه. بدلًا من إعادة إنشاء كل التفاصيل قرب فوهة البركان، ركزوا على منطقة المظلة حيث ينتشر العمود وتحدث معظم مظاهر البرق. يتيح نموذجهم تعديل درجة رطوبة الغلاف الجوي وكمية الماء التي يحملها العمود بشكل مستقل، مما سمح بالمقارنة بين عوالم "أكثر جفافًا" و"أكثر رطوبة" مع الحفاظ على طاقة الثوران الإجمالية مماثلة. تتبعوا ملايين الجسيمات الافتراضية، التي تمثل الرماد والجليد بحجمين مختلفين، أثناء صعودها وانتشارها وتكتلها. عبر عدّ مرات تداخل الجسيمات السريعة والبطيئة في مناطق الاضطراب، قدر العلماء أين ستكون التصادمات—وبالتالي الشحنة الكهربائية—أشد حدّة.

كيف تضغط الرطوبة الزائدة وترفع السحابة

تكشف المحاكاة عن سيناريو متسق. مع زيادة الرطوبة، سواء لأن الهواء المحيط أكثر تشبعًا أو لأن العمود نفسه يحمل ماءً أكثر، يحدث التكاثف على ارتفاعات أدنى ويطلق حرارة إضافية. هذا يعزز الطفو للعمود الصاعد، ويرسل الجسيمات إلى ارتفاعات أكبر—حتى نحو 60 كيلومترًا أو أكثر في أشد الحالات رطوبة. في الوقت نفسه، تنتقل أقوى الدوامات المضطربة والحلقة المرتبطة بتجمع الجسيمات إلى الداخل، أقرب إلى محور الثوران. في ظروف نسبية الجفاف، تتشكل الحلقة الرئيسية للاضطراب على مسافة تقارب 40 كيلومترًا من الفوهة، شبيهة بحلقة البرق الواسعة التي لوحظت خلال النبضة الأولى لـ HTHH. في السيناريوهات الأكثر رطوبة، تنقبض الحلقة إلى نحو 20 كيلومترًا، مما يطابق الحلقة الأشد تحشيدًا التي لوحظت خلال المرحلة الثانية، التي انفجرت في غلاف جوي سبق أن بللته الانفجار الأولي. كما يتباطأ الانتشار الأفقي للسحابة مع ارتفاع الرطوبة، مبدّلًا العرض بالارتفاع والاضطراب الداخلي الأقوى.

تموجات وموجات وماذا يخبرنا البرق

تظهر ميزة أخرى من المحاكاة هي تمايل لطيف أشبه بالموجات في قمة العمود. تصبح هذه تذبذبات موجية ثقالية، بفترات تستغرق عدة دقائق، أكثر بروزًا في الحالات الرطبة وتؤثر على ارتفاع وصول الجسيمات. ومع ذلك، فإن الأماكن التي تبلغ فيها التصادمات ذروتها ما تزال تتوافق بشكل أساسي مع جيوب الاضطراب الشديد، أكثر منها مع الموجات وحدها. عمومًا، تدعم النتائج فكرة أن أنماط البرق—وخاصة الحلقات—يمكن أن تعمل كبديل في الوقت الحقيقي لخصائص غير مرئية للعمود، مثل شدة الاضطراب ومحتوى الرطوبة وتوزيع الرماد والجليد. وهذا بدوره يمكن أن يساعد العلماء على استنتاج كيفية تطور الثوران حتى عندما تحجب السحب السابقة أو ظروف الليل أو البعد البيانات البصرية المباشرة.

ماذا يعني هذا للثورانات المستقبلية

لغير المتخصص، الرسالة الأساسية هي أن الماء ليس مجرد راكب في الثورات العملاقة—بل هو محرك نشط. يمكن للرطوبة أن تجعل السحب البركانية تنمو أطول، وتضغط نوىها المضطربة إلى الداخل، وتعيد تشكيل مواقع تصادم الجسيمات ووميض البرق. قدّم ثوران هونغا تونغا تجربة طبيعية في طبقة ستراتوسفير رطبة بشكل غير عادي، وتُبيّن هذه الدراسة كيف يمكن لمثل هذه الظروف أن تترك بصمة واضحة في حلقات البرق وسلوك العمود. في المستقبل، قد يتيح الجمع بين نماذج كهذه وبيانات الأقمار الصناعية والبرق تقديرات أسرع لقوة الثوران والمخاطر، مما يحسن التحذيرات للطيران وللمجتمعات الواقعة تحت هذه السحب الرعدية العملاقة المائية المنبثقة من تحت البحر.

الاستشهاد: Zapata, F., Mininni, P.D., Ravichandran, S. et al. Turbulence and particle dynamics in volcanic clouds in humid atmospheres. Sci Rep 16, 8111 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39193-0

الكلمات المفتاحية: البرق البركاني, أعمدة الرماد, رطوبة الغلاف الجوي, الاضطراب, ثوران هونغا تونغا