Исследователи из Пенсильванского университета напрямую зафиксировали и измерили коронные разряды на листьях деревьев во время прохождения грозового фронта. Ученые выяснили, что под воздействием сильного электрического поля кроны деревьев покрываются тысячами невидимых искр, которые работают как природный ионизатор и очищают атмосферу.
Коронный разряд — это слабое свечение (холодная плазма), которое возникает на острых предметах при высокой напряженности электрического поля. Моряки издревле наблюдали этот феномен на мачтах кораблей во время штормов и называли его огнями святого Эльма. В быту этот физический принцип применяется в домашних очистителях воздуха и озонаторах, где напряжение на металлической игле ионизирует воздух и создает очищающие частицы.
Ученые давно предполагали, что во время грозы подобные разряды вспыхивают на кончиках листьев и хвоинок. Авторы исследования, опубликованного в журнале Geophysical Research Letters, отметили, что именно коронные разряды служат главным научным объяснением библейского сюжета о неопалимой купине — горящем, но не сгорающем кусте. Однако наблюдать это явление в дикой природе не удавалось: искры слишком тусклые, а их излучение лежит в невидимом для человека ультрафиолетовом диапазоне.
Чтобы зафиксировать феномен, ученые сконструировали мобильную установку COTS (Coronation Observing Telescope System). Ее основным элементом стал 25-сантиметровый телескоп, оснащенный камерой, которая улавливает только узкий спектр ультрафиолета (255–273 нанометра). Эта часть спектра интересна тем, что на Земле ее источником могут быть только пожары, специальные лампы и, самое главное, электрические разряды.
Сначала физики откалибровали прибор в лаборатории: они подавали напряжение до 40 киловольт на саженцы ели и клена, чтобы вычислить математическую зависимость между яркостью УФ-пикселей и силой тока в ветках. Затем ученые выехали на специально оборудованном фургоне под реальную грозу в Северной Каролине, направив объектив на верхушки взрослого амбрового дерева и лоблуллиевой сосны. Компьютерный алгоритм отфильтровал фоновые вспышки обычных молний, оставив только изолированные сигналы от корон.
Прибор зарегистрировал сотни микроразрядов. Выяснилось, что электрическое свечение нестабильно: искры хаотично перескакивают с листа на лист. Разряды загораются и гаснут вслед за порывами ветра, который меняет угол наклона острых кончиков по отношению к туче.
Дистанционные измерения показали, что сила тока, протекающего через светящуюся ветку, составляет около одного микроампера. При этом короны возникали на всех участках кроны в поле зрения объектива. «Эта повсеместность наблюдаемых корон порождает видение мерцающего шлейфа, идущего через лес под электрической бурей», — написали ученые в статье.
Вспыхивающие короны превращают леса в глобальные аналоги бытовых очистителей — ионизаторов воздуха. Жесткий ультрафиолет от микроразрядов расщепляет молекулы воды, генерируя колоссальные объемы гидроксильных радикалов (OH) — главных атмосферных «санитаров», которые окисляют и разрушают парниковые газы и летучие органические вещества.
Во время грозы кроны деревьев выделяют в тысячу раз больше очищающих радикалов, чем все остальные лесные биохимические процессы. При этом сам феномен не проходит для флоры бесследно: электрическое напряжение и излучение оставляют на кончиках листьев микроскопические повреждения.