Natural Wonders and How They Work

Some things in nature look so strange that they feel like magic, even when you know the science behind them. Green curtains of light ripple across Arctic skies. Waves glow bright blue on a dark beach. Smooth, saucer-shaped clouds hang perfectly still above a mountain. In one California desert, heavy stones slide across a dry lakebed and leave long tracks behind them.

تبدو بعض الظواهر في الطبيعة غريبة إلى حد يجعلها أشبه بالسحر، حتى لمن يعرف تفسيرها العلمي. ستائر من الضوء الأخضر تتموج في سماء القطب الشمالي. وأمواج تتوهج بلون أزرق ساطع على شاطئ مظلم. وغيوم ملساء على هيئة صحون طائرة تقف ساكنة تماما فوق جبل. وفي صحراء بولاية كاليفورنيا، تنزلق صخور ثقيلة على قاع بحيرة جافة وتترك خلفها آثارا طويلة.

None of this is a miracle. Every one of these events follows the same laws of physics, chemistry and biology as the rest of nature. Knowing how they work doesn't spoil them, though. For many people it makes them even more impressive. Here are some of the most spectacular natural phenomena on Earth and what causes them.

لا شيء من ذلك معجزة. فكل واحدة من هذه الظواهر تخضع لقوانين الفيزياء والكيمياء والأحياء نفسها التي تحكم بقية الطبيعة. ومع ذلك فإن معرفة طريقة حدوثها لا تفسد جمالها، بل يراها كثير من الناس أكثر إبهارا بعد فهمها. وفي ما يلي بعض من أروع الظواهر الطبيعية على الأرض وأسبابها.

The aurora borealis, or northern lights, is probably the most famous light show in nature. Waves of green, pink and violet light ripple across the night sky in a wide ring around the North Pole, over places like northern Norway, Iceland, Alaska and northern Canada. For centuries the lights have shaped local legends, and today thousands of tourists travel north every winter just to see them.

الشفق القطبي الشمالي، أو الأورورا بورياليس، هو على الأرجح أشهر عرض ضوئي في الطبيعة. تنساب موجات من الضوء الأخضر والوردي والبنفسجي عبر سماء الليل في حلقة واسعة حول القطب الشمالي، فوق أماكن مثل شمال النرويج وآيسلندا وألاسكا وشمال كندا. وقد ألهمت هذه الأضواء الأساطير المحلية منذ قرون، واليوم يسافر آلاف السياح شمالا كل شتاء لرؤيتها فقط.

The aurora begins with the Sun, which constantly sends out a stream of charged particles called the solar wind. Earth's magnetic field steers some of these particles toward the polar regions. There they crash into gases high in the atmosphere, mostly 100 to 300 kilometers up, and make them give off light. Oxygen glows green or red, while nitrogen adds blue and purple. When the Sun is very active, the aurora spreads much farther from the poles: in May 2024, people saw it as far south as Italy and Texas. The Southern Hemisphere has its own version, the aurora australis, or southern lights.

يبدأ الشفق من الشمس التي تطلق باستمرار تيارا من الجسيمات المشحونة يسمى الرياح الشمسية. ويوجه المجال المغناطيسي للأرض بعض هذه الجسيمات نحو المناطق القطبية. وهناك تصطدم بالغازات في أعالي الغلاف الجوي، على ارتفاع يتراوح غالبا بين 100 و300 كيلومتر، فتجعلها تطلق الضوء. يتوهج الأكسجين باللون الأخضر أو الأحمر، بينما يضيف النيتروجين درجات من الأزرق والأرجواني. وحين تكون الشمس شديدة النشاط يمتد الشفق إلى مسافات أبعد كثيرا عن القطبين، ففي مايو 2024 شوهد حتى في إيطاليا وتكساس. وللنصف الجنوبي من الكرة الأرضية نسخته الخاصة، وهي الشفق القطبي الجنوبي أو الأورورا أوستراليس.

On some nights, the waves breaking on a beach glow an electric blue-green. Move your hand through the water and it leaves a trail of cold, ghostly light. This is bioluminescence, light made by living things. It is far more common than most people realize, but most of it happens where nobody sees it, in the darkness of the deep ocean.

في بعض الليالي تتوهج الأمواج المتكسرة على الشاطئ بلون أزرق مخضر لامع. وإذا حركت يدك في الماء تركت خلفها أثرا من ضوء بارد يشبه الأشباح. هذه هي الإضاءة الحيوية، أي الضوء الذي تنتجه الكائنات الحية. وهي أكثر انتشارا بكثير مما يظن معظم الناس، لكن أغلبها يحدث حيث لا يراها أحد، في ظلام أعماق المحيط.

The glowing waves are usually caused by dinoflagellates, tiny single-celled plankton that flash blue when the water around them moves. The light comes from a chemical reaction: a molecule called luciferin reacts with oxygen, helped by an enzyme called luciferase. Jellyfish, squid and many deep-sea fish make light too, and so do fireflies on land. A 2017 study off the coast of California found that about three quarters of the animals living in the open ocean can glow. They use light to find food, attract mates and confuse predators. Mosquito Bay in Puerto Rico and Vaadhoo Island in the Maldives are famous for their glowing water.

ينتج توهج الأمواج في الغالب عن السوطيات الدوارة، وهي عوالق دقيقة وحيدة الخلية تومض بضوء أزرق حين يتحرك الماء من حولها. ويأتي الضوء من تفاعل كيميائي، إذ يتفاعل جزيء يسمى اللوسيفرين مع الأكسجين بمساعدة إنزيم يسمى اللوسيفيراز. وتنتج قناديل البحر والحبار وكثير من أسماك الأعماق الضوء أيضا، وكذلك اليراعات على اليابسة. وقد وجدت دراسة أجريت عام 2017 قبالة ساحل كاليفورنيا أن نحو ثلاثة أرباع الحيوانات التي تعيش في المحيط المفتوح قادرة على التوهج. وهي تستخدم الضوء للعثور على الطعام وجذب الشريك وإرباك المفترسات. ويشتهر خليج موسكيتو في بورتوريكو وجزيرة فادهو في جزر المالديف بمياههما المتوهجة.

Ball lightning is the strangest and least understood event in our weather. For centuries, people have described glowing balls of light, anywhere from the size of a golf ball to the size of a beach ball, that appear during thunderstorms. They float through the air for a few seconds, sometimes drift into rooms or even pass through windows, and then either fade quietly or disappear with a loud bang.

البرق الكروي هو أغرب ظواهر الطقس وأقلها فهما. فمنذ قرون يصف الناس كرات مضيئة يتراوح حجمها بين كرة الغولف وكرة الشاطئ، تظهر أثناء العواصف الرعدية. تطفو في الهواء بضع ثوان، وقد تدخل الغرف أحيانا بل تعبر زجاج النوافذ، ثم تخبو بهدوء أو تختفي بدوي عال.

Because it is rare and lasts only seconds, ball lightning was very hard to study, and some scientists doubted that it existed at all. Then, in 2012, Chinese researchers who were studying ordinary lightning on the Tibetan Plateau happened to record a glowing ball with their cameras and instruments. It shone for about a second and a half, and its light showed silicon, iron and calcium, elements found in soil. This supports a popular theory: a lightning strike turns soil into hot vapor, and that cloud glows as it burns. Other theories involve plasma or microwaves, and scientists still don't agree on the cause.

ولأن البرق الكروي نادر ولا يدوم إلا ثواني، كانت دراسته صعبة جدا، بل شك بعض العلماء في وجوده أصلا. ثم في عام 2012 صور باحثون صينيون كانوا يدرسون البرق العادي على هضبة التبت كرة مضيئة بالمصادفة بكاميراتهم وأجهزتهم. توهجت الكرة نحو ثانية ونصف، وكشف ضوؤها عن السيليكون والحديد والكالسيوم، وهي عناصر موجودة في التربة. وهذا يدعم نظرية شائعة تقول إن ضربة البرق تحول التربة إلى بخار ساخن، وإن هذه السحابة تتوهج وهي تحترق. وتربط نظريات أخرى الظاهرة بالبلازما أو بالموجات الدقيقة، ولا يزال العلماء مختلفين في سببها.

During some volcanic eruptions, lightning flashes through the huge cloud of ash rising from the volcano. Scientists sometimes call this a “dirty thunderstorm.” It is one of the most frightening sights in nature, and one of the oldest on record: the Roman writer Pliny the Younger described flashes like lightning in the dark cloud over Mount Vesuvius in AD 79.

في بعض الثورات البركانية يلمع البرق داخل سحابة الرماد الهائلة المتصاعدة من البركان. ويسمي العلماء ذلك أحيانا «العاصفة الرعدية القذرة». وهو من أكثر المشاهد رعبا في الطبيعة، ومن أقدمها تسجيلا، فقد وصف الكاتب الروماني بلينيوس الأصغر ومضات شبيهة بالبرق في السحابة السوداء فوق بركان فيزوف عام 79 للميلاد.

The lightning comes from electric charge. Inside the ash cloud, bits of rock and ash rub and crash into each other, and if the cloud rises high enough, ice forms in it too. These collisions build up positive and negative charges in different parts of the cloud, much as in an ordinary thunderstorm, until the charge is released as lightning. Volcanic lightning has been seen over Eyjafjallajökull in Iceland in 2010, over Mount Etna in Sicily and over Sakurajima in Japan. The 2022 eruption of Hunga Tonga in the Pacific produced the most intense lightning ever recorded, with hundreds of thousands of flashes in less than a day.

ينشأ هذا البرق من الشحنات الكهربائية. فداخل سحابة الرماد تحتك قطع الصخر والرماد ويصطدم بعضها ببعض، وإذا ارتفعت السحابة بما يكفي تكون فيها الجليد أيضا. وتؤدي هذه الاصطدامات إلى تراكم شحنات موجبة وسالبة في أجزاء مختلفة من السحابة، كما يحدث في العاصفة الرعدية العادية، إلى أن تنطلق الشحنة على شكل برق. وقد شوهد البرق البركاني فوق بركان إيافيالايوكل في آيسلندا عام 2010، وفوق جبل إتنا في صقلية، وفوق ساكوراجيما في اليابان. أما ثوران بركان هونغا تونغا في المحيط الهادئ عام 2022 فقد أحدث أشد نشاط برقي سجل على الإطلاق، بمئات الآلاف من الومضات في أقل من يوم.

On Racetrack Playa, a dry lakebed in a remote corner of Death Valley in California, rocks sit at the ends of long tracks in the cracked mud. Some of the tracks are straight, others curve or zigzag, and some of the rocks weigh more than 300 kilograms. The tracks clearly showed that the stones moved, but for decades nobody had ever seen one move.

في ريستراك بلايا، وهي قاع بحيرة جافة في ركن ناء من وادي الموت بكاليفورنيا، تستقر صخور في نهايات آثار طويلة محفورة في الطين المتشقق. بعض هذه الآثار مستقيم، وبعضها ينحني أو يتعرج، ويزن بعض الصخور أكثر من 300 كيلوغرام. كانت الآثار دليلا واضحا على أن الصخور تتحرك، لكن أحدا لم يرها تتحرك طوال عقود.

Geologists puzzled over the stones for more than 60 years. The answer finally came in December 2013, when a team using GPS trackers and time-lapse cameras caught the rocks in motion. In winter, rain and melting snow sometimes form a shallow pond on the playa. On cold nights its surface freezes into a sheet of ice only a few millimeters thick. On a sunny day the ice breaks into large floating panels, and a light wind pushes them across the water. The panels push the rocks ahead of them, a few meters per minute, and the stones leave tracks in the soft mud underneath. So the stones don't move by themselves, and they don't float: thin, almost invisible ice pushes them.

ظل الجيولوجيون يحاولون حل هذا اللغز أكثر من 60 عاما. وجاء الجواب أخيرا في ديسمبر 2013، حين التقط فريق يستخدم أجهزة تتبع بنظام GPS وكاميرات تصوير فاصل زمني الصخور وهي تتحرك. ففي الشتاء تشكل الأمطار والثلوج الذائبة أحيانا بركة ضحلة في قاع البحيرة. وفي الليالي الباردة يتجمد سطحها في طبقة جليد لا يتجاوز سمكها بضعة مليمترات. وفي يوم مشمس ينكسر الجليد إلى ألواح كبيرة طافية، تدفعها ريح خفيفة عبر الماء. وتدفع هذه الألواح الصخور أمامها بضعة أمتار في الدقيقة، فتترك الصخور آثارا في الطين الطري تحتها. إذن فالصخور لا تتحرك من تلقاء نفسها ولا تطفو، بل يدفعها جليد رقيق يكاد لا يرى.

Lenticular clouds, known to scientists as altocumulus lenticularis, look like something from another world. They are smooth, lens-shaped discs that hang over or just behind mountain peaks, sometimes stacked like a pile of plates. Strong winds blow all around them, yet they stay in the same place for a long time. Not surprisingly, people often report them as UFOs.

تبدو السحب العدسية، التي يسميها العلماء altocumulus lenticularis، كأنها قادمة من عالم آخر. فهي أقراص ملساء على شكل عدسة تعلو قمم الجبال أو تقف خلفها مباشرة، وأحيانا تتراكب بعضها فوق بعض كرصة من الأطباق. تهب حولها رياح قوية، ومع ذلك تبقى في مكانها مدة طويلة. فلا عجب أن يبلغ الناس عنها كثيرا على أنها أجسام طائرة مجهولة.

They form when a steady, moist wind blows over a mountain. The mountain pushes the air up and sets off a series of waves in the air behind it, a bit like the ripples in a stream behind a rock. Where the air rises to the top of a wave, it cools and its moisture turns into cloud. Where it sinks again, it warms up and the cloud disappears. Air keeps flowing through the cloud, but because the cloud keeps forming on one side and disappearing on the other, it seems to stand still. Lenticular clouds are often seen over lone mountains such as Mount Fuji in Japan, Mount Rainier in the United States and the Matterhorn in the Alps.

تتكون هذه السحب حين تهب ريح رطبة ثابتة فوق جبل. فيدفع الجبل الهواء إلى أعلى ويولد خلفه سلسلة من الموجات في الهواء، تشبه التموجات التي تظهر في جدول ماء خلف صخرة. وحيث يرتفع الهواء إلى قمة الموجة يبرد وتتحول رطوبته إلى سحاب، وحيث يهبط من جديد يدفأ فتختفي السحابة. يظل الهواء يتدفق عبر السحابة، لكن لأنها تتكون باستمرار من جهة وتتلاشى من الجهة الأخرى تبدو ثابتة. وكثيرا ما ترى السحب العدسية فوق الجبال المنفردة مثل جبل فوجي في اليابان وجبل رينييه في الولايات المتحدة وجبل ماترهورن في جبال الألب.

Every fall, hundreds of millions of monarch butterflies fly south from Canada and the northern United States. Some travel more than 4,000 kilometers to reach the fir forests in the mountains of central Mexico. There they spend the winter packed together on the trees in such huge numbers that their weight can bend the branches.

في كل خريف تطير مئات الملايين من فراشات الملك جنوبا من كندا وشمال الولايات المتحدة. ويقطع بعضها أكثر من 4000 كيلومتر لتصل إلى غابات التنوب في جبال وسط المكسيك. وهناك تقضي الشتاء متكدسة على الأشجار بأعداد هائلة إلى حد أن وزنها قد يحني الأغصان.

The strangest part is that no single butterfly makes the whole round trip. The monarchs that leave Mexico in spring lay eggs in the southern United States and die. Their young continue north, and only after three or four generations does a new generation fly all the way back. So the butterflies that arrive in Mexico each fall have never been there before: they are usually the great-great-grandchildren of the ones that left. Scientists believe they find their way with a sun compass, corrected for the time of day by a clock in their antennae, and they may also sense Earth's magnetic field. How an insect with such a tiny brain finds a small patch of forest it has never seen is still not fully understood.

وأغرب ما في الأمر أنه لا توجد فراشة واحدة تقوم برحلة الذهاب والإياب كاملة. فالفراشات التي تغادر المكسيك في الربيع تضع بيضها في جنوب الولايات المتحدة ثم تموت. ويواصل صغارها الطيران شمالا، ولا يعود جيل جديد بالطريق كله إلا بعد ثلاثة أجيال أو أربعة. فالفراشات التي تصل إلى المكسيك كل خريف لم تزرها من قبل قط، وهي في الغالب أحفاد أحفاد تلك التي غادرتها. ويعتقد العلماء أنها تهتدي ببوصلة شمسية تضبطها ساعة في قرون استشعارها بحسب وقت النهار، وأنها ربما تحس أيضا بالمجال المغناطيسي للأرض. أما كيف تعثر حشرة بدماغ صغير إلى هذا الحد على بقعة صغيرة من الغابة لم ترها قط، فلا يزال غير مفهوم تماما.

Long before science could explain them, natural phenomena found their way into stories and beliefs. In Finnish folklore, the northern lights were sparks thrown into the sky by the tail of a fox running across the snow, and the Finnish word for them, revontulet, means “fox fires.” The Sami people of northern Scandinavia treated the lights with respect and told children not to wave or whistle at them. In Mexico, the monarchs arrive around the Day of the Dead in early November, and many people believe they carry the souls of the dead.

قبل أن يتمكن العلم من تفسيرها بزمن طويل، دخلت الظواهر الطبيعية في الحكايات والمعتقدات. ففي الفلكلور الفنلندي كان الشفق القطبي شررا يقذفه ثعلب إلى السماء بذيله وهو يركض فوق الثلج، والكلمة الفنلندية التي تدل عليه، ريفونتوليت، تعني «نيران الثعلب». وكان شعب السامي في شمال إسكندنافيا يعامل هذه الأضواء باحترام، وينهى الأطفال عن التلويح لها أو الصفير. وفي المكسيك تصل فراشات الملك قرابة يوم الموتى في أوائل نوفمبر، ويعتقد كثير من الناس أنها تحمل أرواح الموتى.

These events still affect us today. Psychologists who study awe, the feeling we get in front of something so vast that we can't fully take it in, have linked it to lower stress, a stronger sense of connection to other people and more generous behavior. Standing under the aurora or on a beach full of glowing waves, many people say they feel small, but in a good way.

وما زالت هذه الظواهر تؤثر فينا اليوم. فقد ربط علماء النفس الذين يدرسون الرهبة، أي الشعور الذي ينتابنا أمام شيء شاسع لا نستطيع استيعابه تماما، بين هذا الشعور وانخفاض التوتر وقوة الإحساس بالارتباط بالآخرين وزيادة الكرم. ويقول كثيرون ممن وقفوا تحت الشفق أو على شاطئ مليء بالأمواج المتوهجة إنهم شعروا بأنهم صغار، ولكن على نحو جميل.

Auroras, glowing seas, sailing stones and migrating butterflies all have scientific explanations, or at least good working theories. Some, like ball lightning, still keep part of their secret, and discoveries keep coming: the sailing stones were caught moving for the first time only in 2013.

للشفق القطبي والبحار المتوهجة والصخور المتحركة والفراشات المهاجرة جميعا تفسير علمي، أو على الأقل نظريات عملية جيدة. ولا يزال بعضها، مثل البرق الكروي، يحتفظ بجزء من سره، والاكتشافات مستمرة، فالصخور المتحركة لم تصور وهي تتحرك لأول مرة إلا في عام 2013.

Science has not taken the wonder out of these events. Knowing that a butterfly steers by the Sun with the help of a clock in its antennae, or that a wave glows because of billions of tiny plankton, only makes them more interesting. Many of these sights are also easy to reach. A winter trip to the far north or a dark beach on a warm night may be enough to see one for yourself.

لم ينتزع العلم الدهشة من هذه الظواهر. فمعرفة أن الفراشة تهتدي بالشمس بمساعدة ساعة في قرون استشعارها، أو أن الموجة تتوهج بفضل مليارات من العوالق الدقيقة، لا تزيدها إلا إثارة للاهتمام. كما أن كثيرا من هذه المشاهد سهل الوصول إليه. فرحلة شتوية إلى أقصى الشمال أو شاطئ مظلم في ليلة دافئة قد تكفي لترى أحدها بعينيك.