Oamenii de ştiinţă au capturat pentru prima dată coroane electrice strălucind în vârful copacilor în timpul furtunilor

Sursa foto: Sciencedaily

O echipă de cercetători a reuşit pentru prima dată să surprindă în natură o manifestare electrică despre care se speculase de decenii: scânteieri foarte slabe, asemenea fulgerelor, care apar la vârful frunzelor în timpul furtunilor. Aceste „descărcări corona”, vizibile în special în ultraviolet, au fost observate ca pâlpâiri la vârful ţepilor şi al marginilor frunzelor, fenomene care ar putea avea un rol important în curăţarea aerului prin formarea de agenţi oxidanţi atmosferici.

O enigmă de lungă durată testată în teren

Ipoteza că arborii pot produce descărcări electrice la vârfuri în condiţii de furtună a existat în literatură de peste 70 de ani, dar dovezile directe în mediu natural au lipsit până acum. Echipa de la Penn State, alcătuită din oameni de ştiinţă din domeniul meteorologiei şi ştiinţelor atmosferice, şi-a propus să documenteze acest fenomen în aer liber. Scopul a fost să demonstreze existenţa descărcărilor corona în condiţii naturale, nu doar în laborator.

Grupul a plecat într-o expediţie de urmărire a furtunilor în iunie 2024, folosind un vehicul modificat — un Toyota Sienna din 2013 — echipat cu un instrument telescopic meteorologic montat pe acoperiş. Proiectul a pus faţă în faţă experienţa unui profesor distins şi a unor cercetători în formare, într-un demers de observaţie mobilă centrat pe furtunile frecvente din Florida, considerate ideale pentru astfel de investigaţii.

Observaţie crucială în Carolina de Nord

După aproape trei săptămâni în care furtunile urmărite s-au dovedit a fi prea scurte sau instabile pentru a furniza date utile, condiţiile s-au schimbat pe drumul de întoarcere spre Pennsylvania. Pe măsură ce s-au format furtuni mari, persistente, la vest de Interstate 95, echipa s-a oprit la Universitatea din North Carolina la Pembroke şi şi-a montat aparatura într-o parcare.

Aparatele au fost îndreptate spre ramurile superioare ale unui copac sweetgum aflat la aproximativ 100 de picioare de van. Pe parcursul unei furtuni care a durat aproape două ore, cu ploaie intensă şi frecvente descărcări electrice, cercetătorii au înregistrat efectiv descărcări corona la vârfurile frunzelor acelui copac. Pe măsură ce furtuna slăbea, s-a observat activitate similară şi la un pin loblolly din apropiere.

Aceste observaţii au reprezentat prima confirmare a descărcărilor corona în mediul natural şi au fost publicate ulterior în revista Geophysical Research Letters. Patrick McFarland, doctorand şi autor principal al lucrării, a subliniat semnificaţia descoperirii, observând că, după zeci de ani de teorie, evenimentul pune în evidenţă continuarea cercetărilor fundamentaliste în ştiinţă.

Cum se formează descărcările corona în timpul furtunilor

Cercetătorii explică că fenomenul apare din cauza dezechilibrelor electrice puternice care se dezvoltă în timpul furtunilor. Norii de furtună acumulează încărcături negative considerabile, ceea ce atrage încărcări pozitive la suprafaţa pământului. Aceste încărcări pozitive se propagă în sus prin arbori, concentrându-se la punctele cele mai înalte: vârfurile ramurilor şi marginile frunzelor.

La aceste structuri subţiri şi delicate, câmpul electric devine suficient de intens pentru a genera o lumină slabă, vizibilă în spectrul vizibil şi mai ales în ultraviolet. Emisia UV produsă de aceste descărcări poate provoca ruperea moleculelor de vapori de apă, declanşând reacţii chimice care duc la formarea radicalilor hidroxil (OH).

Chimie atmosferică şi efecte de curăţare a aerului

Radicalul hidroxil este recunoscut ca oxidantul principal din atmosfera troposferică. Acţiunea sa este esenţială pentru „curăţarea” aerului: oxidatorii reacţionează cu poluanţii atmosferici şi cu compuşii organici emişi de copaci, transformându-i în substanţe care pot fi eliminate mai uşor din atmosferă. Această contribuţie la îndepărtarea speciilor chimice din aer include şi reacţii cu metanul, un gaz cu efect de seră puternic.

Lucrările anterioare ale echipei demonstraseră în laborator legătura strânsă dintre emisiile UV ale descărcărilor corona şi producţia de radicali hidroxil, sugerând că fenomenele observate la vârfurile copacilor ar putea juca un rol semnificativ în chimia atmosferică din coroanele forestiere. Descoperirea în teren completează aceste date experimentale şi deschide calea pentru re-evaluarea influenţei pădurilor asupra calităţii aerului şi asupra proceselor climatice locale sau regionale.

Contribuţii din laborator şi confirmarea pe teren

În experimente controlate, cercetătorii aplicaseră impulsuri electrice de înaltă tensiune şi curent redus pe ramuri, observând o corelaţie clară între emisiile UV generate de corona şi producţia de radicali hidroxil. De asemenea, atât în condiţii de laborator, cât şi în observaţiile recente pe teren, s-a remarcat un mic grad de afectare a frunzelor în locurile în care se formaseră coronae.

Pentru a realiza observaţiile în aer liber, echipa a conceput un instrument denumit Corona Observing Telescope System. Acesta constă dintr-un telescop Newtonian conectat la o cameră sensibilă la ultraviolet, completat cu facilităţi de geolocalizare, senzori pentru măsurarea electricităţii atmosferice şi calibrare cu lămpi de mercur. Sistemul este proiectat să blocheze lungimile de undă UV solare, astfel încât numai surse precum corona, fulgerele sau incendiile să producă semnale detectabile.

Sute de evenimente corona înregistrate

Folosind acest ansamblu pe teren în Carolina de Nord, cercetătorii au înregistrat 859 de evenimente corona pe copacul sweetgum şi 93 de evenimente pe pinul loblolly. Fiecare eveniment a durat de la o fracţiune de secundă până la câteva secunde, potrivit lui McFarland. Pe lângă aceste descoperiri majore, echipa a făcut observaţii suplimentare în cadrul altor patru furtuni şi pe încă patru specii diferite de arbori.

Descrierea acestor fenomene ca fiind aproape invizibile pentru ochiul liber subliniază importanţa tehnologiei specifice folosite: „Aparatele noastre creează o viziune a unor fâşii de corona scintilantă care strălucesc pe măsură ce furtunile trec deasupra,” a explicat McFarland. Potenţialul extins al acestor coroane are implicaţii pentru descompunerea hidrocarburilor emise de copaci, pentru deteriorări subtile ale frunzelor şi, în general, pentru sănătatea copacilor, a pădurilor şi a atmosferei.

Întrebări deschise despre copaci şi mediu

Deşi prezenţa descărcărilor corona în natură a fost confirmată, cercetătorii semnalează că rămân numeroase întrebări. Nu este încă clar dacă aceste evenimente electrice cauzează daune semnificative copacilor sau, dimpotrivă, dacă arborii au dezvoltat adaptări care le permit să tolereze sau chiar să valorifice aceste descărcări. Alte linii de investigaţie vizează înţelegerea modului în care curăţarea atmosferică indusă de coronae afectează ecosistemele forestiere în ansamblu.

Pentru a aborda aceste întrebări, echipa a început colaborări cu ecologi de arbori şi biologii, cu scopul de a determina dacă interacţiunile electrice dintre copaci şi atmosferă influenţează sănătatea pe termen lung a pădurilor şi procesele ecologice care le definesc.

Studiul a beneficiat de sprijinul National Science Foundation din Statele Unite, iar autori ai lucrării includ pe W. H. Brune, J. M. Jenkins şi D. O. Miller, alături de P. J. McFarland. Rezultatele au fost publicate în Geophysical Research Letters şi pot constitui punctul de plecare pentru noi investigaţii privind rolul pe care copacii îl joacă în chimia atmosferei.

Pentru detalii şi materiale adiţionale, se pot consulta descrierile instituţionale ale lucrării şi referinţa jurnalului:
Materiale Penn State despre descoperire
Referinţa jurnalului în Geophysical Research Letters (DOI)