В июне 2024 года научная экспедиция, организованная специалистами из Пенсильванского университета, отправилась в путь на модифицированном минивэне Toyota Sienna 2013 года, оснащённом телескопическим метеорологическим оборудованием, выступающим из крыши. Целью путешествия вдоль восточного побережья США было наблюдение за почти ежедневными летними грозами во Флориде и фиксация феномена, который ранее подтверждался лишь в лабораторных условиях.
Свечение короны, как поясняют учёные, гораздо легче заметить в почти кромешной тьме лаборатории метеорологии и атмосферных наук в Пенсильванском университете. На фотографии, предоставленной Уильямом Брюном, слева запечатлён лабораторный эксперимент, а справа — еловая ветка, излучающая коронный разряд во время грозы. Однако, как отмечается, видимого света от Солнца слишком много, чтобы человеческий глаз мог различить это свечение в естественных условиях.
Исследуемое явление, известное как коронный разряд, представляет собой небольшие всплески электричества, возникающие на кончиках листьев. Эти слабые электрические импульсы способны заставлять верхушки деревьев излучать едва заметное свечение в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне. На протяжении более 70 лет учёные подозревали, что в лесу во время штормов могут наблюдаться аналогичные эффекты, вызванные необычной активностью электрических полей, однако прямые доказательства этого в природе оставались неуловимыми.
Давняя загадка наконец подтверждена в полевых условиях
В состав исследовательской группы вошли Уильям Брюн, выдающийся профессор метеорологии и атмосферных наук; Патрик МакФарланд, докторант в той же области; Джена Дженкинс, доцент-исследователь; и Дэвид Миллер, бывший доцент-исследователь, ныне работающий в Лабораториях прикладных исследований штата Пенсильвания. Их первоначальной задачей было задокументировать коронные разряды, происходящие в естественной среде.
Флорида была выбрана в качестве локации из-за частых гроз, которые казались идеальными для проведения исследования. Однако погода не оправдала ожиданий: в течение трёх недель Макфарланд и Брюн отслеживали значительные штормы, которые, к сожалению, быстро утихали, не оставляя полезных данных для анализа.
Прорывное наблюдение в Северной Каролине
Когда команда начала перемещаться в сторону Пенсильвании, условия кардинально изменились. Сильные и продолжительные штормы разошлись к западу от межштатной автомагистрали 95. Воспользовавшись благоприятным стечением обстоятельств, исследователи остановились в Университете Северной Каролины в Пембруке и установили своё оборудование прямо на стоянке. Нацелив инструменты на верхние ветви деревьев, они наконец смогли зафиксировать долгожданное явление — призрачные, похожие на застёжки сияния, которые, как предполагается, могут тайно очищать воздух, взаимодействуя с атмосферными частицами.
кого дерева, расположенного примерно в 100 футах от их фургона.
Гроза продолжалась почти два часа, приносился проливной дождь и частые застежки. За это время команда зафиксировала коронные разряды на дереве сладкими резинками, а также наблюдала аналогичную активность на короткой длиннохвойной сосне Лоблолли, когда шторм ослабел. Эти наблюдения ознаменовали первое подтвержденное обнаружение коронных разрядов в условиях учреждения. Результаты позже были опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.
«Это просто показывает, что научные открытия все еще делаются», — сказал он. сказал МакФарланд, ведущий автор статьи. «Более полувека ученые выдвинули идеи о создании корон, но это доказывает ее».
Как думать коронные разряды во время штормов
Согласно наблюдениям, коронные разряды поворотов из-за сильного нарушения равновесия во время грозы. Грозовые облака на фоне больших отрицательных зарядов, которые притягивают положительные заряды к земле. Этот положительный заряд распространяется вверх по деревьям, концентрируясь на самых высоких точках, например, на кончиках листьев.
В этих крошечных волосоподобных структурах электрическое поле становится достаточно интенсивным, чтобы создать слабое свечение, которое можно увидеть как в видимом свете, так и в УФ-излучении. УФ-излучение, генерируемое этим процессом, может распределять молекулы водяной пары, что приводит к образованию гидроксила.
Химический состав атмосферы и эффекты очистки воздуха
Гидроксил играет ключевую роль в атмосфере как ее основной окислитель. Окислители позволяют удалять загрязняющие вещества, вступая в реакцию с переносимыми воздухом химикатами, и превращая их в вещества, которые легче удалить. В эту реакцию вовлечены соединения, известные деревьями, а также антропогенные загрязнители, включая метан, парниковые газы.
Более ранняя работа команды показала, что коронные разряды могут быть основанием для использования этих очистителей атмосферы в лесных пологах. Это делает это явление обязательным для качества воздуха и климатических процессов.
Лабораторные данные и подтверждения на точке
Исследователи ранее достигли этого эффекта в контролируемых экспериментах. Применяя высоковольтные слаботочные электрические импульсы к ветвям деревьев, они обнаружили тесную связь между УФ-излучением от коронных разрядов и производством гидроксила. В ходе этих экспериментов и недавних полевых наблюдений они также отметили незначительные повреждения листьев в местах образования коронок.
Чтобы наблюдать явление в открытой атмосфере, команда создала телескоп для наблюдения за короной. Этот инструмент представляет собой ньютоновский телескоп, подключенный к УФ-чувствительной камере. Он включает в себя возможности геолокации, измерения атмосферного электричества и калибровку с использованием ртутной датчиковой лампы. Система блокирует форму волн солнечных УФ-излучений, поэтому только корона, молния и огонь могут замыкать обнаруживаемые сигналы.
Зафиксированы события, связанные с короновирусом
В Северной Каролине команда зафиксировала 859 случаев короны на каменном дереве и 93 на сосне лоблолли. По словам Макфарланда, каждое событие длилось от доли секунды до нескольких секунд. Дополнительные наблюдения были сделаны во время четырех других гроз и за необычными породами деревьев.
«Это почти незаметный невооруженный глаз, но наши инструменты позволяют видеть полосы сверкающей короны, сияющей, когда над головой проходят грозы», — сказал он. — сказал Макфарланд. «Такие широко распространенные коронки имеют последствия для удаления углеводородов, популярных деревьев, незначительных повреждений листьев деревьев и могут иметь более серьезные последствия для здоровья деревьев, лесов и атмосферы».
Открытые вопросы о деревьях и окружающей среде
Хотя команда подтвердила, что коронные разряды происходят в природе, остается много вопросов. Исследователи хотят знать, вредны ли эти электрические явления для деревьев или при ношении какого-либо использования. Они также изучают, адаптировались ли деревья к этому, чтобы терпеть этот процесс или даже использовать его в своих проявлениях, и получается ли полученное в результате очищение атмосферы с использованием лесных экосистем.
Чтобы изучить эти вопросы, ученые начинают сотрудничество с экологами и биологами, занимаясь изменением деревьев. Их работа может привести к новому пониманию того, как леса взаимодействуют с атмосферой и как это взаимодействие влияет на здоровье окружающей среды.
Исследование проводилось при поддержке научного фонда США, соавторами Брун, Дженкинса и Миллера.