Учёные впервые засняли, как кроны деревьев светятся во время грозы

В июне 2024 года группа исследователей в области метеорологии и атмосферных наук из Университета штата Пенсильвания отправилась в путешествие по Восточному побережью на модифицированном автомобиле Toyota Sienna 2013 года выпуска. Фургон был оснащён специально изготовленным телескопическим метеорологическим зондом, выдвигавшимся из крыши. Их целью было отследить почти ежедневные летние грозы во Флориде и наблюдать явление, которое никогда не подтверждалось за пределами лаборатории.

Это явление, известное как коронный разряд, заключается в образовании крошечных электрических разрядов на кончиках листьев и ветвей. Эти слабые электрические импульсы могут заставлять верхушки деревьев излучать едва заметное свечение в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне. Учёные более 70 лет подозревали, что в лесах могут происходить такие эффекты во время гроз из-за необычной активности электрического поля, но прямых доказательств в природе так и не удалось найти.

Давняя загадка наконец проверена в полевых условиях

В состав исследовательской группы входили Уильям Бруне, заслуженный профессор метеорологии и наук об атмосфере; Патрик Макфарланд, аспирант в той же области; Джена Дженкинс, доцент-исследователь; и Дэвид Миллер, бывший доцент-исследователь, ныне работающий в Лаборатории прикладных исследований Университета штата Пенсильвания. Их целью было впервые зафиксировать естественные коронарные разряды.

Флориду выбрали из-за частых гроз, которые казались идеальными для исследования. Однако погода не благоприятствовала учёным. В течение трёх недель Макфарланд и Бруне следили за кратковременными грозами, которые быстро рассеивались, оставляя их без полезных данных.

Прорывные наблюдения в Северной Каролине

Когда команда начала возвращаться в Пенсильванию, условия изменились. К западу от автомагистрали 95 сформировались крупные, продолжительные грозы. Воспользовавшись случаем, исследователи остановились у Университета Северной Каролины в Пемброк и установили своё оборудование на парковке. Они направили приборы на верхние ветви американского амбрового дерева, расположенного примерно в 30 метрах от их фургона.

Гроза продолжалась почти два часа, сопровождаясь сильным дождём и частыми молниями. За это время команда зафиксировала коронарные разряды на американском амбровом дереве, а также наблюдала аналогичную активность на соседней ладанной сосне с длинными иголками, когда гроза начала стихать. Эти наблюдения стали первым подтверждённым случаем обнаружения коронарных разрядов в естественных условиях. Результаты исследования позже были опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.

«Это лишь доказывает, что наука по-прежнему способна открывать новое, — сказал Макфарланд, ведущий автор статьи. — Более полувека учёные выдвигали теории о существовании коронного разряда, и теперь у нас есть доказательство его существования».

Как образуются коронные разряды во время грозы

По мнению исследователей, коронные разряды возникают из-за сильного электрического дисбаланса во время грозы. Грозовые облака накапливают большие отрицательные заряды, которые притягивают положительные заряды на земле. Этот положительный заряд движется вверх по деревьям, концентрируясь в самых высоких точках, таких как кончики листьев.

На этих крошечных волосковидных структурах электрическое поле становится достаточно интенсивным, чтобы произвести слабое свечение, которое можно увидеть как в видимом свете, так и в ультрафиолете. Ультрафиолетовое излучение, генерируемое в результате этого процесса, может разбивать молекулы водяного пара, приводя к образованию гидроксила.

Химия атмосферы и эффекты очистки воздуха

Гидроксил играет ключевую роль в атмосфере в качестве основного окислителя. Окислители способствуют удалению загрязняющих веществ, вступая в реакцию с химическими соединениями в воздухе и преобразуя их в вещества, которые легче удалить. В этих реакциях участвуют как соединения, выделяемые деревьями, так и загрязняющие вещества антропогенного происхождения, в том числе метан — мощный парниковый газ.

Ранее проведённые исследования этой группы показали, что коронные разряды могут быть значительным источником этих атмосферных очищающих веществ в лесном пологе. Это делает данное явление потенциально важным для качества воздуха и климатических процессов.

Лабораторные данные и подтверждение в полевых условиях

Ранее исследователи изучали этот эффект в контролируемых экспериментах. Подавая на ветви деревьев электрические импульсы высокого напряжения и низкой силы тока, они обнаружили тесную связь между ультрафиолетовым излучением от коронных разрядов и образованием гидроксила. Как в ходе этих экспериментов, так и в ходе недавних полевых наблюдений они также отметили незначительные повреждения листьев в местах образования коронного разряда.

Чтобы наблюдать это явление на открытом воздухе, команда создала специальную телескопическую систему. Этот прибор представляет собой телескоп Ньютона, подключённый к УФ-чувствительной камере. Он включает в себя функции геолокации, датчики для измерения атмосферного электричества и калибровку с помощью ртутной лампы. Система блокирует солнечные УФ-волны, так что только коронный разряд, молния и огонь могут генерировать наблюдаемые сигналы.

Зафиксированы сотни случаев коронного разряда

Используя эту систему в Северной Каролине, команда зафиксировала 859 случаев образования короны на амбровом дереве и 93 — на ладанной сосне. По словам Макфарланда, каждое явление длилось от долей секунды до нескольких секунд. Дополнительные наблюдения проводились во время ещё четырёх гроз на четырёх различных видах деревьев.

«Это почти незаметно невооружённым глазом, но наши приборы позволяют увидеть полосы мерцающей короны, светящейся, когда над головой проходят грозы, — сказал Макфарланд. — Такие обширные короны имеют значение для удаления углеводородов, выделяемых деревьями, и для незначительного повреждения листьев деревьев, а также могут иметь более широкие последствия для здоровья деревьев, лесов и атмосферы».

Открытые вопросы о деревьях и окружающей среде

Хотя команда подтвердила, что коронные разряды в природе происходят, остаётся много вопросов. Исследователи хотят узнать, наносят ли эти электрические явления вред деревьям или приносят какую-то пользу. Они также изучают, приспособились ли деревья к этому процессу, чтобы переносить его или даже извлекать из него выгоду, и приносит ли очищение атмосферы, возникающее в результате, пользу лесным экосистемам.

Чтобы изучить эти вопросы, учёные начинают сотрудничать с экологами и биологами, специализирующимися на деревьях. Их работа может привести к новым открытиям о том, как леса взаимодействуют с атмосферой и как эти взаимодействия влияют на здоровье окружающей среды.