Επιστήμονες κατέγραψαν δέντρα να λαμπυρίζουν από ηλεκτρισμό κατά τη διάρκεια καταιγίδων

Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως εκκένωση στέμματος (corona discharge), περιλαμβάνει μικροσκοπικές εκλάμψεις ηλεκτρισμού που σχηματίζονται στις άκρες των φύλλων. Αυτοί οι αμυδροί ηλεκτρικοί παλμοί μπορούν να προκαλέσουν στα δέντρα να εκπέμπουν μια λεπτή λάμψη στο υπεριώδες (UV) φάσμα. Οι επιστήμονες υποψιάζονταν για περισσότερα από 70 χρόνια ότι τα δάση μπορεί να παράγουν αυτά τα φαινόμενα κατά τη διάρκεια καταιγίδων, λόγω ασυνήθιστης δραστηριότητας του ηλεκτρικού πεδίου, αλλά η άμεση απόδειξη στη φύση παρέμενε άπιαστη.

Ένα μακροχρόνιο μυστήριο επιτέλους ερευνήθηκε στο πεδίο

Η ερευνητική ομάδα περιλάμβανε τους William Brune, διακεκριμένο καθηγητή μετεωρολογίας και ατμοσφαιρικής επιστήμης, Patrick McFarland, διδακτορικό φοιτητή στην ίδια ειδικότητα, Jena Jenkins, βοηθό καθηγήτρια έρευνας, και David Miller, πρώην αναπληρωτή καθηγητή έρευνας που εργάζεται πλέον στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Έρευνας Penn State. Στόχος τους ήταν να καταγράψουν για πρώτη φορά εκκενώσεις στέμματος που συμβαίνουν φυσικά.

Η Φλόριντα επιλέχθηκε λόγω των συχνών καταιγίδων της, οι οποίες φάνταζαν ιδανικές για τη μελέτη. Ωστόσο, ο καιρός δεν συνεργάστηκε όπως αναμενόταν. Για τρεις εβδομάδες, οι McFarland και Brune παρακολούθησαν βραχύβιες καταιγίδες που διαλύονταν γρήγορα, αφήνοντάς τους χωρίς χρήσιμα δεδομένα.

Επανάσταση στην παρατήρηση στη Βόρεια Καρολίνα

Καθώς η ομάδα άρχισε να επιστρέφει στην Πενσυλβάνια, οι συνθήκες άλλαξαν. Μεγάλες, μακροχρόνιες καταιγίδες αναπτύχθηκαν λίγο δυτικά του Διαπολιτειακού 95. Εκμεταλλευόμενοι την ευκαιρία, οι ερευνητές σταμάτησαν στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας στο Pembroke και εγκατέστησαν τον εξοπλισμό τους σε ένα πάρκινγκ. Στόχευσαν τα όργανά τους στα ανώτερα κλαδιά ενός δέντρου sweetgum, που βρισκόταν περίπου 30 μέτρα μακριά από το βαν τους.

Μια καταιγίδα διήρκεσε σχεδόν δύο ώρες, φέρνοντας δυνατή βροχή και συχνές αστραπές. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η ομάδα κατέγραψε εκκενώσεις στέμματος στο δέντρο sweetgum και παρατήρησε παρόμοια δραστηριότητα σε ένα κοντινό πεύκο loblolly με μακριές βελόνες, καθώς η καταιγίδα εξασθενούσε. Αυτές οι παρατηρήσεις σηματοδότησαν την πρώτη επιβεβαιωμένη ανίχνευση εκκενώσεων στέμματος σε φυσικό περιβάλλον. Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν αργότερα στο Geophysical Research Letters.

“Αυτό απλώς δείχνει ότι εξακολουθεί να γίνεται έρευνα για την ανακάλυψη”, δήλωσε ο McFarland, επικεφαλής συγγραφέας της εργασίας. “Για περισσότερο από μισό αιώνα, οι επιστήμονες θεωρούσαν ότι υπήρχε η εκκένωση στέμματος, αλλά αυτό το αποδεικνύει.”

Πώς σχηματίζονται οι εκκενώσεις στέμματος σε καταιγίδες

Σύμφωνα με τους ερευνητές, οι εκκενώσεις στέμματος συμβαίνουν λόγω ισχυρών ηλεκτρικών ανισορροπιών κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Τα σύννεφα καταιγίδας αναπτύσσουν μεγάλα αρνητικά φορτία που έλκουν θετικά φορτία στο έδαφος. Αυτό το θετικό φορτίο ταξιδεύει προς τα πάνω μέσω των δέντρων, συγκεντρώνοντας στα υψηλότερα σημεία, όπως οι άκρες των φύλλων.

Σε αυτές τις μικροσκοπικές, σαν τρίχες δομές, το ηλεκτρικό πεδίο γίνεται αρκετά έντονο ώστε να παράγει μια αμυδρή λάμψη που μπορεί να φανεί τόσο στο ορατό φως όσο και στο UV. Η UV ακτινοβολία που παράγεται από αυτή τη διαδικασία μπορεί να διασπάσει μόρια υδρατμών, οδηγώντας στο σχηματισμό υδροξυλίου.

Ατμοσφαιρική χημεία και επίδράσεις καθαρισμού αέρα

Το υδροξύλιο παίζει βασικό ρόλο στην ατμόσφαιρα ως κύριο οξειδωτικό του μέσο. Τα οξειδωτικά βοηθούν στην απομάκρυνση των ρύπων αντιδρώντας με χημικές ουσίες στον αέρα και μετατρέποντάς τες σε ουσίες που είναι ευκολότερο να απομακρυνθούν. Αυτές οι αντιδράσεις περιλαμβάνουν ενώσεις που απελευθερώνονται από τα δέντρα, καθώς και ρύπους που παράγονται από τον άνθρωπο, συμπεριλαμβανομένου του μεθανίου, ενός ισχυρού αερίου του θερμοκηπίου.

Προηγούμενη εργασία της ομάδας έδειξε ότι οι εκκενώσεις στέμματος θα μπορούσαν να αποτελέσουν σημαντική πηγή αυτών των παραγόντων ατμοσφαιρικού καθαρισμού εντός των δασικών κουβουκλίων. Αυτό καθιστά το φαινόμενο δυνητικά σημαντικό για την ποιότητα του αέρα και τις κλιματικές διεργασίες.

Εργαστηριακές γνώσεις και επιβεβαίωση στο πεδίο

Οι ερευνητές είχαν μελετήσει προηγουμένως αυτό το φαινόμενο σε ελεγχόμενα πειράματα. Εφαρμόζοντας ηλεκτρικούς παλμούς υψηλής τάσης και χαμηλού ρεύματος σε κλαδιά δέντρων, βρήκαν ισχυρή σχέση μεταξύ των εκπομπών UV από εκκενώσεις στέμματος και της παραγωγής υδροξυλίου. Τόσο σε εκείνα τα πειράματα όσο και στις πρόσφατες παρατηρήσεις στο πεδίο, επισήμαναν επίσης μικρές ζημιές στα φύλλα στα σημεία όπου σχηματιζόταν το στέμμα.

Για να παρατηρήσουν το φαινόμενο σε εξωτερικούς χώρους, η ομάδα δημιούργησε το Σύστημα Τηλεσκοπίου Παρατήρησης Στέμματος (Corona Observing Telescope System). Αυτό το όργανο είναι ένα τηλεσκόπιο Newton συνδεδεμένο με μια κάμερα ευαίσθητη στην UV. Περιλαμβάνει δυνατότητες γεωγραφικής τοποθεσίας, αισθητήρες για τη μέτρηση της ατμοσφαιρικής ηλεκτρικής ενέργειας και βαθμονόμηση χρησιμοποιώντας λάμπα υδραργύρου. Το σύστημα μπλοκάρει τα μήκη κύματος UV του ήλιου, έτσι ώστε μόνο το στέμμα, η αστραπή και η φωτιά να μπορούν να παράγουν ανιχνεύσιμα σήματα.

Εκατοντάδες συμβάντα εκκένωσης στέμματος καταγράφηκαν

Χρησιμοποιώντας αυτό το σύστημα στη Βόρεια Καρολίνα, η ομάδα κατέγραψε 859 συμβάντα εκκένωσης στέμματος στο δέντρο sweetgum και 93 στο πεύκο loblolly. Κάθε συμβάν διήρκησε από ένα κλάσμα του δευτερολέπτου έως αρκετά δευτερόλεπτα, σύμφωνα με τον McFarland. Πρόσθετες παρατηρήσεις έγιναν κατά τη διάρκεια τεσσάρων άλλων καταιγίδων και σε τέσσερα διαφορετικά είδη δέντρων.

“Είναι σχεδόν αόρατο με γυμνό μάτι, αλλά τα όργανά μας δίνουν μια όψη εκτεταμένων λαμπυριζόντων στεμμάτων καθώς οι καταιγίδες περνούν από πάνω μας”, είπε ο McFarland. “Τέτοια ευρέως διαδεδομένα στελέχη έχουν επιπτώσεις στην απομάκρυνση των υδρογονανθράκων που εκπέμπονται από τα δέντρα, σε ανεπαίσθητες ζημιές στα φύλλα των δέντρων και θα μπορούσαν να έχουν ευρύτερες επιπτώσεις στην υγεία των δέντρων, των δασών και της ατμόσφαιρας.”

Ανοιχτά ερωτήματα σχετικά με τα δέντρα και το περιβάλλον

Παρόλο που η ομάδα έχει επιβεβαιώσει ότι οι εκκενώσεις στέμματος συμβαίνουν στη φύση, πολλά ερωτήματα παραμένουν. Οι ερευνητές θέλουν να μάθουν εάν αυτά τα ηλεκτρικά συμβάντα βλάπτουν τα δέντρα ή παρέχουν κάποιο όφελος. Επίσης, διερευνούν εάν τα δέντρα έχουν προσαρμοστεί για να ανέχονται ή ακόμα και να επωφελούνται από αυτή τη διαδικασία, και εάν ο προκύπτων ατμοσφαιρικός καθαρισμός ωφελεί τα δασικά οικοσυστήματα.

Για να διερευνήσουν αυτά τα ερωτήματα, οι επιστήμονες ξεκινούν συνεργασίες με δασολόγους και βιολόγους. Η εργασία τους θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες γνώσεις σχετικά με το πώς τα δάση αλληλεπιδρούν με την ατμόσφαιρα και πώς αυτές οι αλληλεπιδράσεις επηρεάζουν την περιβαλλοντική υγεία.

Η μελέτη υποστηρίχθηκε από το Ίδρυμα Εθνικών Επιστημών των ΗΠΑ (U.S. National Science Foundation), με τους Brune, Jenkins και Miller να υπηρετούν ως συν-συγγραφείς.