Hogyan működik a koronakisülés – Fák világítanak a viharokban

Egy láthatatlan fényjáték az erdő felett

Valahányszor zivatar vonul át egy erdő felett, valami rendkívüli dolog történik, amit az emberi szem nem láthat. A levelek és ágak vége halvány ultraibolya villanásokban tör ki – apró elektromos kisülések, úgynevezett koronakisülések formájában –, ahogy a légkör elektromos tere töltést kényszerít át a fákon. A tudósok közel egy évszázadig elméleteket gyártottak erről a jelenségről, de csak azután sikerült kamerával rögzíteni, hogy a Pennsylvaniai Állami Egyetem kutatói egy módosított kisbusszal viharokba hajtottak az Egyesült Államok keleti partvidékén.

Mi az a koronakisülés?

A koronakisülés egyfajta elektromos áttörés, amely akkor következik be, amikor egy erős elektromos tér ionizálja a levegőt egy hegyes vagy éles tárgy körül. A villámcsapással ellentétben, amely egy hatalmas, hirtelen áramlás a felhő és a föld között, a koronakisülés egy csendes, folyamatos elektromos szivárgás. Az áram nagyon kicsi – körülbelül egy mikroamper kisülési pontonként –, de a mögötte álló fizika alakítja az időjárást, károsítja a növényzetet, és még a levegőt is tisztíthatja.

A folyamat a töltésszétválasztással kezdődik egy zivatarfelhő belsejében. A felhő alapja jellemzően erős negatív töltést hordoz, ami megfelelő pozitív töltést indukál a talajban alatta. Mivel az ellentétes töltések vonzzák egymást, a talaj pozitív töltése felfelé vándorol minden vezetőképes anyagon keresztül – beleértve a fatörzseket és ágakat is –, és a legélesebb pontokon koncentrálódik: levélvégeken, fenyőtűkön és gallyvégeken.

Amikor a helyi elektromos tér ezeken a végeken meghaladja a körülbelül 30 000 voltot centiméterenként, a környező levegőmolekulák ionizálódni kezdenek. Az elektronok nitrogén- és oxigénatomokról szakadnak le, vékony plazmahüvelyt hozva létre. Ahogy a gerjesztett molekulák visszatérnek alapállapotukba, fotonokat bocsátanak ki – túlnyomórészt a kék és ultraibolya tartományban –, ami halvány fényt eredményez.

A tengerészek tudták meg először

A koronakisülés elvileg nem új felfedezés. A tengerészek évszázadok óta megfigyelték a látható rokonát, a Szent Elmo tüzét. A tengerészek védőszentjéről, Szent Erasmusról elnevezett hátborzongató kék-ibolya fényeket az árbocok csúcsán egykor ómennek tekintették – néha jónak, néha rossznak. Ugyanez a fizika érvényesül: egy hajó magas fémárboca ugyanúgy koncentrálja a töltést, mint egy levélcsúcs, de elég nagy intenzitással ahhoz, hogy a fény szabad szemmel is látható legyen.

A pilóták is találkoztak vele. Az 1982-es British Airways 9-es járatán az utasok és a személyzet izzó villanásokat láttak táncolni a szélvédőn, miközben a repülő vulkáni hamun és elektromosan töltött levegőn repült át. Az Empire State Building nem sokkal az 1931-es megnyitása után mutatott koronakisülést.

A láthatatlan lefilmezése

A Penn State tanulmányt az tette úttörővé, hogy a koronakisülést vadon élő fákon, valós viharkörülmények között rögzítették – amit korábban senkinek sem sikerült. Patrick McFarland vezető kutató és csapata egy 2013-as Toyota Siennát szerelt fel egy meteorológiai állomással, egy elektromos térerősség-mérővel, egy lézeres távolságmérővel és egy tetőre szerelt periszkóppal, amely egy UV-érzékeny kamerához csatlakozott, amelyet 255 és 273 nanométer közötti hullámhosszakra hangoltak.

A floridai és pennsylvaniai nyári terepmunkák során a csapat több száz koronakisülést rögzített. Egy 90 perces megfigyelési ülésen a North Carolina állambeli Pembroke-ban a kamerájuk 859 koronakisülést rögzített egy amerikai ámbrafán és 93-at egy közeli lóbafenyőn. Az egyes villanások a másodperc töredékétől körülbelül három másodpercig tartottak, gyakran levelek között ugrálva.

"Úgy gondolom, hogy a viharok idején minden fa tetején látni lehetne ezt a fénycsóvát" – mondta McFarland. "Ez csak azt mutatja, hogy még mindig folyik felfedező tudomány."

Miért fontos ez a légkör számára?

A felfedezés a vizuális látványon túlmutató következményekkel jár. A koronakisülések hidroxilgyököket termelnek – rendkívül reaktív molekulákat, amelyek lebontják a szénhidrogéneket és más szennyező anyagokat a levegőben. Az erdők már most is hozzájárulnak a légköri kémiához illékony szerves vegyületek kibocsátásával, de a viharok által kiváltott koronakisülés egy korábban fel nem ismert tisztító mechanizmust adhat hozzá, amely a lombkorona szintjén koncentrálódik.

Ökológiai következményei is vannak. A kisülések másodpercek alatt látható levélvég-égést okoznak. Az 1960-as évekre visszanyúló kutatások kimutatták, hogy a fákban lévő elektromos áramok károsíthatják a sejtmembránokat és elpusztíthatják a kloroplasztiszokat – a fotoszintézisért felelős sejtszervecskéket. Sok viharszezon alatt ez a halmozódó károsodás befolyásolhatja, hogy mely fafajok virágoznak a viharveszélyes régiókban, és alakíthatta a levelek evolúcióját évezredek során.

Gyakori jelenség, ritkán látható

A Penn State csapata azonos koronatevékenységet igazolt négy különálló viharban és több fafajon – amerikai ámbrafa, lóbafenyő, lucfenyő és juhar –, ami arra utal, hogy a jelenség mindenhol univerzális, ahol fák állnak a zivatarok alatt. Az ok, amiért ilyen sokáig nem filmezték le, egyszerű: a szóban forgó UV-hullámhosszakat a Föld ózonrétege blokkolja, és a szemünk számára láthatatlanok. Speciális berendezés nélkül, amelyet a megfelelő pillanatban a megfelelő fára irányítanak, a fényjáték rejtve marad.

Bárki számára, aki valaha is állt erdő lombkoronája alatt zivatar idején, a következmény megdöbbentő: minden levélcsúcs felette csendben szikrázhatott plazmával, tisztítva a levegőt, és lassan égetve önmagát a folyamat során.