האם סופות ברקים מדברות ביניהן? על העברת מידע ברשתות ברקים

1. האם סופות ברקים מדברות ביניהן?על העברת מידע ברשתות ברקים פרופ' יואב יאיר המחלקה למדעי הטבע והחיים האוניברסיטה הפתוחה

2. שותפים למחקר • פרופ' ראובן אביב – מכללת תל-חי • ד"ר גלעד רביד – אונ' בן-גוריון • מענק מחקר של הקרן הלאומית למדע 2006-2009 • סטודנטים: • רועי יניב • אלכס אגרצ'וב • ד"ר ציפי ארליך – האוניברסיטה הפתוחה

3. מבנה ההרצאה • כמה הגדרות בסיסיות • מהם ברקים וכיצד הם מתרחשים • תצפיות על פעילות ברקים בסופות מרוחקות • ממעבורת החלל • ממערכות קרקעיות • סימולציות • מודל המתנדים (אוסצילטורים) המצומדים • סינכרוניזציה • מנגנונים פיסיקליים אפשריים • סיכום

4. הגדרות בסיסיות בתורת רשתות רשת מוגדרת כמערך של n קודקודים (או צמתים) (vertices) ומערך של קשרים Eהמתקיימים ביניהם, כאשר eij מתארים את הקשר בין קודקוד i לקודקוד j. ה-דרגה (degree)ki של צומת נתון היא מספר הקודקודים Ni המצויים בשכנות אליו קבוע ההתקבצות (Clustering Coefficient)Ci של צומת Vi הוא היחס בין מספר הקשרים הנמצאים בין הצמתים בשכנות אליו לבין המספר של סך הקשרים האפשריים ביניהם ישנם סוגי רשתות רבים ושונים: עולם קטן, אקראית, סדורה (ווטס וסטרוגץ, 1998)

5. 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 ורק מיעוטם פוגע בקרקע. הזרם בברק הוא כמה עשרות אלפי אמפר, ונמשך כמה אלפיות שנייה. ברקים נוצרים בענני סערה מסוג קומולונימבוס, המצטיינים בממד אנכי גבוה (8-15 ק"מ) ומכילים 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 30,000 מעלות לערך וגורם לו להתפשט (רעם).

6. המבנה החשמלי של ענן סערה בוגר (גובה: 15 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 וה-UV מהשמש

7. מיפוי של פעילות ברקים שנתית גלובלית קצב הברקים הפלנטרי בכדה"א הוא 40-60 בשנייה. יש כ-2000 סופות פעילות בכל רגע נתון.

8. 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)

9. סינכרוניזציה של ברקים: עדות ראשונה • עבודה של ולאד מאזור (1982) גילתה שיש הדי מכ"ם המוחזרים מתעלת ההתפרקות של הברק אשר מופיעים בסמיכות גבוהה מאד זה לזה. • הוא מצא שהדבר חוזר על עצמו ואינו אקראי וכינה זאת בשם Associated discharges

10. 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

11. תצפיות על מערכות מז"א גדולות בהן פעילות ברקים בעת ניסוי מיידקס במהלך טיסתה של מעבורת החלל קולומביה בינואר 2003 ביצעו האסטרונאוטים תצפיות על מערכות סופה גדולות בהן נצפו ברקים בקצב גבוה. הטווחים לסופות היו בין 1000 ל-1900 ק"מ. 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 נתיב המעבורת, גובה 278 ק"מ

12. 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 frame1 minute of data in 0.1 sec resolution

13. 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

14. סופה בקנדה, לפי נתוני CLDN בתאריך 4/7/05 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

15. דקה של נתוני ברקים ברזולוצית זמן של 0.1 שניות פרצים של פעילות בו-זמנית בתאים רחוקים זה מזה, הפסקות גדולות באמצע

16. סופה בים התיכון – נתוני LPATS29/10/06

17. מספר התאים הפעילים משתנה עם הזמן29/10/06

18. מקטעים של סינכרוניזציה בברקים

19. יש בטבע דוגמאות רבות של אוסצילטורים-מחזוריים מסונכרנים, כמו למשל במטוטלות, בשירה של צרצרים, בתאורה של גחליליות ובפעילותם של תאי עצבים בלב ובמוח. המודל של פסקין (1975) הראה שתאים מסוימים בלב פועלים כקוצבים משום שהם מגיעים לסנכרון ולנעילת-מופע.

20. גחליליות מסונכרנות

21. סימולציה של אוסצילטורים מצומדים • ניתן לעשות סימולציה של התנהגות הרשת באמצעות מודלים מתמטיים • המודל של מירולו וסטרוגאץ (1990) בדק מערך של אוסצילטורים זהים הנמצאים במצבים של "סוכמים ויורים" “fire 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 בבת-אחת לאפס ומוסיף ערך כלשהו ε לעוצמה של כל האוסצילטורים האחרים. • המערכת מגיעה כמעט תמיד לסינכרון של המופעים של האוסצילטורים – אפילו אם תנאי ההתחלה מעט שונים.

22. מודל רשת ברקים (יאיר, רביד, אביב, 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 ענן i לענן j כך שהם יהיו קשורים בהסתברות מסוימת. הגורם p קובע את מידת הקשרים בין העננים. P=1 פירושו שכולם קשורים. • אחרי התפרקות הברק, יש תוספת עוצמה בשיעור ε מענן i לענן j התלויה במרחק היחסי ביניהם ובתנאי שהם קשורים זה לזה. • ε(i,j) = ε / (1+ln R(i,j)) • הרצנו רשת של 20 עננים, 1000 צעדי זמן ב-100 תנאי התחלה שונים (מיקומים שונים של העננים במטריצה). העוצמה של הענן (הלא מופרע על ידי ברקים אחרים) גוברת ב-1/30 מהעוצמה המרבית בכל צעד זמן, עד שמגיעה ל-1.

23. 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 εto those clouds it is coupled to. • All the clouds in the network behave in an identical manner.

24. הדינמיקה של רשת ברקים הטופולוגיה של הרשת בזמן ברק מענן מסוים. עיגולים מלאים הם ברקים העוצמה של כל ענן כפונקציה של הזמן μ=0.2, p=0.5, ε=0.6,

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

26. מנגנון פיסיקלי אפשרי • השדות החשמליים המתפשטים ממכת ברק גורמים לעליה מיידית קצרה של עוצמת השדה החשמלי בעננים סמוכים בשיעור של ΔE • אם אנו מניחים ששדה הסף לפריצה הוא 105וולט למטר, אזי מספיק ש- ΔE יהיה כ-5000 וולט למטר להניע ענן תת-קריטי להתפרקות. ציר X – הזמן במיקרו-שניות אחרי הברק ציר Y – השינוי בשדה החשמלי בוולט למטר R=1 km טווח מהברק

27. ברקים המשפיעים על השדה החשמלי בעננים סמוכים • התוספת לשדה החשמלי עקב הברק שהתרחש בענן סמוך יכולה להאיץ התפרקות בענן סמוך אם הוא נמצא ברמות תת-קריטיות ולפני התפרקות בעצמו • האפקט מוגבל בטווח ואפקטיבי רק לעננים שהמרחקים ביניהם פחות מ- 100 ק"מ R=100 km

28. מנגנונים אפשריים נוספים • התאבכות בונה של פולסים אלקטרומגנטיים (EMP) מעננים מרוחקים לאחר החזרות מהיונוספרה ומהקרקע • השפעה של גלים אקוסטיים מתעלת ההתפרקות של הברק – רעמים שגורמים לגלי קול בתחומים של אינפרא-סאונד. • משהו חדש ולא ידוע....

29. 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 היטב התנהגות רשתית של סופות ברקים • נדרשת תמונה מלאה של כלל הפעילות בסופה על מנת לתאר נכונה את הקשרים בין העננים