В грозу лес светится ультрафиолетом: ученые впервые зафиксировали коронные разряды на листьях деревьев

Во время грозы, кроме ударов молний, в лесах происходит еще одно малозаметное явление. Речь идет о коронных разрядах — слабых электрических пробоях, возникающих на заостренных объектах (таких как листья и ветви) в условиях сильного электрического поля.

До недавнего времени коронные разряды на деревьях в естественной среде оставались лишь теоретической моделью. Их наличие предполагалось на основе косвенных данных, например, по аномальным изменениям электрического поля над лесами во время штормов. Прямых визуальных или инструментальных доказательств не существовало. Видимое свечение коронного разряда настолько слабое, что человеческий глаз не способен различить его даже в полной темноте, а во время грозы наблюдению мешают плотная облачность, дождь и вспышки обычных молний.

Группе исследователей из Департамента метеорологии и атмосферных наук Университета штата Пенсильвания удалось решить эту техническую проблему. Они разработали специализированное оборудование, которое позволило впервые в истории напрямую зафиксировать коронные разряды на верхушках деревьев, измерить их интенсивность и рассчитать возникающие при этом электрические токи.

Технология фиксации: как увидеть невидимое

Поскольку в видимом спектре зарегистрировать слабое свечение на верхушках деревьев практически невозможно, исследователи обратились к ультрафиолетовому излучению. Во время ионизации молекулы воздуха вокруг кончика листа выделяют энергию, значительная часть которой приходится на жесткий ультрафиолет.

Для фиксации этого излучения инженеры создали мобильную обсерваторию под названием COTS (Corona Observing Telescope System). Установка была смонтирована на базе исследовательского фургона и оснащена телескопом, передающим изображение на матрицу уникальной УФ-камеры. Главная особенность этой камеры заключается в том, что она реагирует исключительно на волны длиной от 255 до 273 нанометров.

Выбор этого узкого диапазона критически важен для чистоты эксперимента. Стратосферный озоновый слой Земли полностью поглощает солнечное излучение в этом спектре. Поэтому в дневное или вечернее время на поверхности планеты естественного фона в диапазоне 255-273 нм просто не существует. Появление фотонов с такой длиной волны может быть вызвано только тремя причинами: открытым горением, свечением ртутных ламп или электрическим разрядом. Поскольку во время сильного дождя первые два фактора исключены, любые зарегистрированные вспышки на кронах деревьев однозначно идентифицируются как коронные разряды.

Дополнительной сложностью стало отделение света коронных разрядов от мощных вспышек обычных молний, которые также излучают в ультрафиолете. Для этого исследователи применили алгоритмы пространственной кластеризации. Если пиксели на матрице загорались равномерно по всему кадру, система распознавала это как отраженный свет молнии. Если же свечение локализовалось исключительно в границах кроны дерева и сохранялось на протяжении нескольких кадров, сигнал классифицировался как коронный разряд.

Динамика процесса: влияние ветра и физиологии растений

Летом 2024 года мобильная обсерватория была развернута в штате Северная Каролина во время прохождения активного грозового фронта. Объектами наблюдений стали два дерева: 32-метровый ликвидамбар (амбровое дерево с широкими листьями) и высокая сосна (вид Pinus taeda). Камера располагалась на расстоянии около 30 метров от объектов.

Анализ полученных видеоданных опроверг устоявшееся представление о том, что коронный разряд под грозовым облаком представляет собой стабильное, непрерывное свечение. Оказалось, что процесс носит очень фрагментарный характер. Ультрафиолетовые вспышки возникали на конкретном листе, длились от 0,13 до 3,33 секунды, после чего разряд исчезал и тут же формировался на соседних ветвях.

Исследователи выделяют три основные причины такой нестабильности:

1. Геометрия поля и ветер. Грозовое облако создает над землей мощное электрическое поле. Листья и хвойные иголки действуют как концентраторы этого поля. Разряд возникает только в том случае, если острый край листа направлен оптимальным образом относительно заряженного облака. Когда ветер раскачивает ветви, листья постоянно меняют свою ориентацию. Как только угол меняется, локальная напряженность поля падает ниже критического порога, и ионизация воздуха прекращается.
2. Гидравлическая проводимость дерева. Дерево не является идеальным проводником. Электрический ток, необходимый для поддержания коронного разряда, проходит от корневой системы через ствол к листьям. Сопротивление этой цепи напрямую зависит от того, сколько влаги содержится в сосудах растения в данный момент. Внутреннее движение воды и соков меняет проводимость, что также влияет на пульсацию разрядов.
3. Изменение полярности грозы. Наблюдения показали, что разряды возникают как под конвективным ядром шторма (где идут самые сильные осадки), так и в периферийных слоистых зонах. При этом приборы зафиксировали, что коронные разряды полностью прекращались в моменты, когда электрическое поле резко меняло полярность из-за структурных изменений внутри грозового облака, а затем возобновлялись вновь.

Количественные измерения и лабораторная калибровка

Чтобы измерить масштаб, физикам было необходимо перевести количество зафиксированных фотонов в показатели электрического тока. Для этого была проведена серия лабораторных калибровок. В контролируемых условиях небольшие саженцы помещали под металлические пластины, на которые подавалось напряжение до 35 киловольт. Ученые одновременно замеряли ток, проходящий через ствол с помощью пикоамперметра, и фиксировали интенсивность ультрафиолетового свечения камерой COTS.

Сопоставив лабораторные данные с полевыми наблюдениями, исследователи выяснили, что каждая локальная вспышка коронного разряда на взрослом дереве во время грозы генерирует около 100 миллиардов (10¹¹) фотонов. Этому значению соответствует электрический ток силой около 1 микроампера, проходящий через отдельную ветку. Учитывая, что на крупном взрослом дереве находятся десятки тысяч листьев, суммарный ток, проходящий через ствол, может достигать сотен микроампер.

Последствия: химия атмосферы и повреждение лесов

Открытие и точная количественная оценка коронных разрядов на деревьях важны для двух научных дисциплин: химии атмосферы и лесной экологии.

Во-первых, жесткое ультрафиолетовое излучение коронных разрядов воздействует на окружающий воздух. Энергии фотонов достаточно для того, чтобы расщеплять молекулы водяного пара и кислорода. В результате этого физического процесса в воздухе массово образуются гидроксильные радикалы (OH).

Радикал OH в физике атмосферы часто называют главным окислителем или «атмосферным моющим средством». Он вступает в реакцию с парниковыми газами (например, с метаном) и летучими органическими соединениями, разрушая их и очищая воздух. До проведения этого исследования климатические модели исходили из того, что гидроксил синтезируется в основном под воздействием солнечного ультрафиолета в дневное время. Данные Пенсильванского университета доказывают, что во время прохождения грозовых фронтов леса генерируют огромные объемы радикалов OH самостоятельно. Это требует пересмотра расчетов того, как лесные массивы влияют на качество воздуха и парниковый эффект.

Во-вторых, сам процесс ионизации оказывает физическое воздействие на растительные ткани. Коронный разряд относится к категории так называемых холодных плазменных явлений, однако температура в зоне пробоя все равно превышает температуру окружающей среды. Постоянное протекание микротоков и локальный нагрев вызывают микроскопические ожоги.

Исследователи отмечают, что острые кончики листьев могут получить видимые повреждения всего за несколько секунд воздействия электрического поля напряженностью около 10 кВ/м. В регионах с высокой частотой гроз регулярное воздействие коронных токов способно наносить существенный вред верхнему ярусу леса. Накапливающиеся повреждения клеточной структуры приводят к отмиранию листьев и высыханию верхних ветвей.

Первое инструментальное подтверждение существования коронных разрядов на деревьях доказывает, что растительность активно взаимодействует с электрическими полями штормов, влияя на химический состав нижних слоев атмосферы. В условиях глобальных климатических изменений, которые сопровождаются увеличением интенсивности и частоты гроз, точный учет этого физического явления становится необходимым для корректного моделирования атмосферных процессов.

Источник: Geophysical Research Letters