האם סופות ברקים מדברות ביניהן?

על העברת מידע ברשתות ברקים

פרופ' יואב יאירהמחלקה למדעי הטבע והחיים

האוניברסיטה הפתוחה

שותפים למחקר

פרופ' ראובן אביב – מכללת תל-חיד"ר גלעד רביד – אונ' בן-גוריון 2006-2009מענק מחקר של הקרן הלאומית למדע

:סטודנטיםרועי יניבאלכס אגרצ'וב

ד"ר ציפי ארליך – האוניברסיטה הפתוחה

מבנה ההרצאהכמה הגדרות בסיסיותמהם ברקים וכיצד הם מתרחשיםתצפיות על פעילות ברקים בסופות מרוחקות

ממעבורת החלל ממערכות קרקעיות

סימולציותמודל המתנדים )אוסצילטורים( המצומדיםסינכרוניזציה

מנגנונים פיסיקליים אפשרייםסיכום

הגדרות בסיסיות בתורת רשתות קודקודים )או צמתים( nרשת מוגדרת כמערך של (vertices) ומערך של קשרים E המתקיימים

i מתארים את הקשר בין קודקוד eijביניהם, כאשר .jלקודקוד

של צומת נתון היא מספר ki (degree) ה-דרגה המצויים בשכנות אליוNiהקודקודים

של Ci (Clustering Coefficient) קבוע ההתקבצות הוא היחס בין מספר הקשרים הנמצאים Viצומת

בין הצמתים בשכנות אליו לבין המספר של סך הקשרים האפשריים ביניהם

ישנם סוגי רשתות רבים ושונים: עולם קטן, (1998אקראית, סדורה )ווטס וסטרוגץ,

תופעת הברק ברקים הם ניצוצות חשמליים ארוכים )מספר

ק"מ( הנוצרים כאשר אזור באטמוספרה רוכש מטען חשמלי גדול, המביא ליצירת שדה בעל

עוצמות שעוברות את ערך הפריצה החשמלית )כמיליון וולט/מטר(

מרבית הברקים מתרחשים בתוך העננים ורקמיעוטם פוגע בקרקע. הזרם בברק הוא כמה

עשרות אלפי אמפר, ונמשך כמה אלפיות שנייה. ,ברקים נוצרים בענני סערה מסוג קומולונימבוס

ק"מ( ומכילים 8-15המצטיינים בממד אנכי גבוה )כמויות גדולות מאד של חלקיקים )גבישי קרח,

ברד וטיפות מים(. נצפו ברקים גם בענני פטריה של פיצוצים גרעיניים ובפלומות של הרי געש

הזרם שעובר בברק מלהיט את האוויר עד מעלות לערך וגורם לו להתפשט )רעם(.30,000

15המבנה החשמלי של ענן סערה בוגר )גובה: ק"מ(

תנאים הכרחיים להיווצרות סופת ברקים באטמוספרה

אי-יציבות בעומק משמעותי, המעודדת תנועה אנכית של אוויר

לגבהים בהם יכולה להתרחש התעבות של חומרים שונים

באטמוספרה: היווצרות עננים

העננים הם ערמתיים ומאופיינים •בתנועות אנכיות עזות ובריכוזים

גבוהים של חלקיקים נוזלים )טיפות( ומוצקים )קרח לסוגיו(

החומר ממנו עשויים העננים יכול •לעבור קיטוב )פולריזציה( ולהשתתף בצורה יעילה במנגנוני הפרדת מטען

בסקלה מיקרוסקופית

קיומו של שדה חשמלי חיצוני אינו •הכרחי אבל מעודד תהליכי הפרדת

מטען

יונים חופשיים באטמוספרה כתוצאה •מפעולתה של הקרינה הקוסמית

מהשמש UVוה-

מיפוי של פעילות ברקים שנתית גלובלית

בשנייה. 40-60קצב הברקים הפלנטרי בכדה"א הוא סופות פעילות בכל רגע נתון.2000יש כ-

ברקים מהחלל: עדויות ראיה של אסטרונאוטים

Astronaut Edward C. Gibson )Skylab 4, 1973(:“Lightning were occurring simultaneously or almost simultaneously over wide areas and large distances …tens of lightning flashes were occurring almost together after periods of calm, and then the activity subsided for several seconds, only to resume again "in all locations".

Astronaut Richard H. Truly )STS-2 and 8,1981(:Reported two separated areas of frequent lightning in the Amazon basin that appeared "to be talking to each other".

Astronaut Rick Husband )STS-75, 1996; STS-107(: “I saw the lightning dancing all around… it was beautiful” )personal communication(

סינכרוניזציה של ברקים: עדות ראשונה

עבודה של ולאד מאזור( גילתה שיש הדי 1982)

מכ"ם המוחזרים מתעלת ההתפרקות של הברק

אשר מופיעים בסמיכות גבוהה מאד זה לזה.

הוא מצא שהדבר חוזר עלעצמו ואינו אקראי וכינה

Associatedזאת בשם discharges

ניתוח של סופות ברקים ממעבורת החלל: אינדיקציה לסינכרוניות בין סופות מרוחקות זו מזו

(Yair et al., JASTP, 2006)MEIDEX, Argentina-Paraguay border, 22.1.2003

תצפיות על מערכות מז"א גדולות בהן פעילות ברקים בעת ניסוי מיידקס

שיטת האנליזה:

הסופות זוהו על גבי תצלומי לוויין מטאורולוגי בתת-אדום

בוצע מעבר על כל פריים בסרטי הוידאו כדי לקבוע את זמן הברק

בוצע שיוך כל ברק לתא פעיל על פי המיקום שלו בתמונה

ק"מ278נתיב המעבורת, גובה

במהלך טיסתה של מעבורת החלל ביצעו 2003קולומביה בינואר

האסטרונאוטים תצפיות על מערכות סופה גדולות בהן נצפו ברקים בקצב

1000גבוה. הטווחים לסופות היו בין ק"מ.1900ל-

Orbit 87 – central Africa, 22.1.2003, Medium flash rate: 274 events in 202 seconds (81 flash/min). 9 Electrically Active Cells, 23 distinct flash clustersAverage duration of 5.6 s containing 12 flashes per cluster, “Dead time” between clusters: 3.15 s. 14% of flashes occurred within the same video frame

1 minute of data in 0.1 sec resolution

Orbit 67 – north Australia, 20.1.2003, High flash rate: 274 events in 152 seconds (150 flash/min), 13 Electrically Active Cells. 9 distinct flash clusters. Average duration 9.7 s containing 23 flashes per cluster

4/7/05 בתאריך CLDNסופה בקנדה, לפי נתוני

שיטת האנליזה:

מרכזי הסופות זוהו על סמך סיכום

כלל פעילות הברקים במשך

שעה

גבולות התאים הוגדרו בבירור

בוצע שיוך כל ברק לתא פעיל על פי

המיקום שלו בתמונה

הערה: מערכת CLDN מזהה אך

ורק ברקים לקרקע

dt 0.1 sec star ting f rom 0

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1 .05

1 .1

1 .15

1 .2

0 20 40 60 80 100 120 140

T i me * 0. 1 s ec

cel l1

cel l2

cel l3

cel l4

cel l5

dt 0.1 sec star ting f rom 15sec

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1 .05

1 .1

1 .15

1 .2

0 20 40 60 80 100 120 140

T i me *0. 1 5s ec

cel l1

cel l2

cel l3

cel l4

cel l5

dt 0.1 sec starting from 30 sec

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1.05

1.1

1.15

1.2

0 20 40 60 80 100 120 140

T ime *0.15sec

cell1

cell2

cell3

cell4

cell5

dt 0.1 sec star ting f rom 45 sec

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1 .05

1 .1

1 .15

1 .2

0 20 40 60 80 100 120 140

T i me *0. 1 5s ec

cel l1

cel l2

cel l3

cel l4

cel l5

שניות0.1דקה של נתוני ברקים ברזולוצית זמן של

פרצים של פעילות בו-זמנית בתאים רחוקים זה מזה, הפסקות גדולות באמצע

LPATSסופה בים התיכון – נתוני 29/10/06

מספר התאים הפעילים משתנה עם 29/10/06הזמן

28.0028.4028.8029.2029.6030.0030.4030.8031.2031.6032.0032.4032.8033.2033.6034.0034.4034.8035.2035.6036.0036.4036.8037.2037.6038.00

28.0

028

.40

28.8

029

.20

29.6

030

.00

30.4

030

.80

31.2

031

.60

32.0

032

.40

32.8

033

.20

33.6

034

.00

34.4

034

.80

35.2

035

.60

36.0

036

.40

36.8

037

.20

37.6

038

.00

38.4

038

.80

39.2

039

.60

40.0

0

קו אורך

בח

רוקו

מקטעים של סינכרוניזציה בברקים2

82

02

82

22

82

42

82

62

82

82

83

02

83

22

83

42

83

62

83

82

84

02

84

22

84

42

84

62

84

82

85

02

85

22

85

42

85

62

85

82

86

02

86

22

86

42

86

62

86

82

87

02

87

22

87

42

87

62

87

82

88

02

88

22

88

42

88

62

88

82

89

02

89

22

89

42

89

62

89

82

90

02

90

22

90

42

90

62

90

82

91

02

91

22

91

42

91

62

91

82

92

02

92

22

92

42

92

62

92

82

93

02

93

22

93

42

93

62

93

82

94

0

Binary BOX 1

Binary BOX 2

Binary BOX 3

Binary BOX 4

Binary BOX 5

Binary BOX 6

Binary BOX 7

Binary BOX 8

29

40

29

42

29

44

29

46

29

48

29

50

29

52

29

54

29

56

29

58

29

60

29

62

29

64

29

66

29

68

29

70

29

72

29

74

29

76

29

78

29

80

29

82

29

84

29

86

29

88

29

90

29

92

29

94

29

96

29

98

30

00

30

02

30

04

30

06

30

08

30

10

30

12

30

14

30

16

30

18

30

20

30

22

30

24

30

26

30

28

30

30

30

32

30

34

30

36

30

38

30

40

30

42

30

44

30

46

30

48

30

50

30

52

30

54

30

56

30

58

30

60

Binary BOX 1

Binary BOX 2

Binary BOX 3

Binary BOX 4

Binary BOX 5

Binary BOX 6

Binary BOX 7

Binary BOX 8

3060

3062

3064

3066

3068

3070

3072

3074

3076

3078

3080

3082

3084

3086

3088

3090

3092

3094

3096

3098

3100

3102

3104

3106

3108

3110

3112

3114

3116

3118

3120

3122

3124

3126

3128

3130

3132

3134

3136

3138

3140

3142

3144

3146

3148

3150

3152

3154

3156

3158

3160

3162

3164

3166

3168

3170

3172

3174

3176

3178

3180

Binary BOX 1

Binary BOX 2

Binary BOX 3

Binary BOX 4

Binary BOX 5

Binary BOX 6

Binary BOX 7

Binary BOX 8

יש בטבע דוגמאות רבות של אוסצילטורים-מחזוריים מסונכרנים, כמו למשל במטוטלות, בשירה של צרצרים,

בתאורה של גחליליות ובפעילותם של תאי עצבים בלב ובמוח.

( הראה שתאים 1975המודל של פסקין )מסוימים בלב פועלים כקוצבים משום שהם

מגיעים לסנכרון ולנעילת-מופע.

גחליליות מסונכרנות

סימולציה של אוסצילטורים מצומדים ניתן לעשות סימולציה של התנהגות הרשת באמצעות מודלים

מתמטיים( בדק מערך של 1990המודל של מירולו וסטרוגאץ )

fire“אוסצילטורים זהים הנמצאים במצבים של "סוכמים ויורים" and integrate” כלומר עלייה בעוצמה X(f) - לפי פונקציה מהסוג

X(f) = C [ 1 - exp(-gf)] :מקום שידוע ש C = 1/[1- exp (-g)] כאשר האוסצילטור מגיע לערך המכסימלי הוא יורה, יורד

לעוצמה של כל εבבת-אחת לאפס ומוסיף ערך כלשהו האוסצילטורים האחרים.

המערכת מגיעה כמעט תמיד לסינכרון של המופעים של.האוסצילטורים – אפילו אם תנאי ההתחלה מעט שונים

)יאיר, רביד, אביב, מודל רשת ברקים 2009) אנחנו מניחים שתאי סופות הברקים מאכלסים מטריצה(i, j)

מקום שלכל סופה יש פונקצית עוצמה זהה, אשר עולה בהדרגה עד לערך המכסימלי, "פורקת" ברק ויורדת לאפס – באנלוגיה

לטעינה החשמלית של ענן סערה אנחנו מניחים פונקציה אקראית ליצירת קשרים בין ענןi לענן j

קובע את pכך שהם יהיו קשורים בהסתברות מסוימת. הגורם פירושו שכולם קשורים.P=1מידת הקשרים בין העננים.

אחרי התפרקות הברק, יש תוספת עוצמה בשיעור ε מענן i התלויה במרחק היחסי ביניהם ובתנאי שהם קשורים זה jלענן לזה.

ε)i,j( = ε / )1+ln R)i,j(( תנאי התחלה 100 צעדי זמן ב-1000 עננים, 20הרצנו רשת של

שונים )מיקומים שונים של העננים במטריצה(. העוצמה של 1/30הענן )הלא מופרע על ידי ברקים אחרים( גוברת ב-

.1מהעוצמה המרבית בכל צעד זמן, עד שמגיעה ל-

Thunderstorms as Leaky Integrate and Fire Oscillators (LIF) The basic circuit of an integrate-and-fire

model consists of a capacitor C in parallel with a resistor R driven by a current I)t(.

The cloud charging current I)t( charges the RC circuit. The voltage V)t( across the capacitance )black points( is compared to a threshold Vcrit – which is equivalent to the breakdown filed.

If V)t( = Vcrit at time ti)f(, the system “fires” a lightning discharge and an output pulse )t -

ti)f(( is generated. This pulse adds a value ε to those clouds it is coupled to.

All the clouds in the network behave in an identical manner.

הדינמיקה של רשת ברקים

μ=0.2, p=0.5, ε=0.6 ,

הטופולוגיה של הרשת בזמן ברק מענן מסוים. עיגולים מלאים הם

ברקים

העוצמה של כל ענן כפונקציה של הזמן

העוצמה של כל העננים ברשת לאחר "יריה" של ברק מענן 1מספר

For equal values of μ and ε, as the value of p increases, the network becomes more synchronized.

When p ~ 1, this is the fully connected case shown to be always synchronized by Mirrolo and Strogatz

מנגנון פיסיקלי אפשרי השדות החשמליים המתפשטים ממכת ברק גורמים לעליה מיידית

ΔEקצרה של עוצמת השדה החשמלי בעננים סמוכים בשיעור של וולט למטר, אזי מספיק 105 אם אנו מניחים ששדה הסף לפריצה הוא

וולט למטר להניע ענן תת-קריטי להתפרקות.5000 יהיה כ-ΔE ש-

– הזמן במיקרו-שניות אחרי הברקXציר

– השינוי בשדה החשמלי בוולט למטרYציר

R=1 km טווח מהברק

ברקים המשפיעים על השדה החשמלי בעננים סמוכים

התוספת לשדה החשמלי עקב הברק שהתרחש בענן סמוך יכולה להאיץהתפרקות בענן סמוך אם הוא נמצא ברמות תת-קריטיות ולפני התפרקות

בעצמו -100האפקט מוגבל בטווח ואפקטיבי רק לעננים שהמרחקים ביניהם פחות מ

ק"מ

R=100 km

מנגנונים אפשריים נוספים( התאבכות בונה של פולסים אלקטרומגנטייםEMP מעננים )

מרוחקים לאחר החזרות מהיונוספרה ומהקרקע

– השפעה של גלים אקוסטיים מתעלת ההתפרקות של הברקרעמים שגורמים לגלי קול בתחומים של אינפרא-סאונד.

....משהו חדש ולא ידוע

סיכום

פעילות הברקים בסופות מרוחקות אינה אקראית לגמרי יש אפיזודות של סנכרון בפעילות בין תאים מרוחקים

ונראה שיש השפעה הדדית בין סופות הפרשי הזמנים בין ברקים עוקבים מאותו תא אינם

מתפלגים אקראית – רמז לפעולת מנגנון פיסיקלי בטווחים קצרים בתוך סופות

מודלים בתורת הרשתות המותאמות מסמלצים היטבהתנהגות רשתית של סופות ברקים

נדרשת תמונה מלאה של כלל הפעילות בסופה על מנתלתאר נכונה את הקשרים בין העננים