Ako funguje korónový výboj – stromy počas búrok žiaria

Neviditeľná svetelná šou nad lesom

Zakaždým, keď sa cez les preženie búrka, stane sa niečo mimoriadne, čo ľudské oko nedokáže vidieť. Konce listov a vetiev vybuchujú v slabých ultrafialových zábleskoch – drobných elektrických výbojoch nazývaných korónové výboje – keď elektrické pole atmosféry pretláča náboj cez stromy. Vedci o tomto jave teoretizovali takmer storočie, ale až keď výskumníci z Pensylvánskej štátnej univerzity vyrazili s upraveným minivanom do búrok pozdĺž východného pobrežia USA, niekto ho zachytil na kameru.

Čo je to korónový výboj?

Korónový výboj je typ elektrického prierazu, ktorý nastáva, keď silné elektrické pole ionizuje vzduch okolo špicatého alebo ostrého predmetu. Na rozdiel od blesku, ktorý zahŕňa masívny, náhly tok prúdu medzi oblakom a zemou, korónový výboj je tichý, nepretržitý únik elektriny. Prúd je malý – približne jeden mikroampér na výbojový bod – ale fyzika, ktorá za ním stojí, formuje počasie, poškodzuje vegetáciu a môže dokonca čistiť vzduch.

Proces začína separáciou náboja vo vnútri búrkového oblaku. Základňa oblaku zvyčajne nesie silný záporný náboj, ktorý indukuje zodpovedajúci kladný náboj na zemi pod ním. Pretože opačné náboje sa priťahujú, kladný náboj zeme migruje nahor cez všetko vodivé – vrátane kmeňov a konárov stromov – a koncentruje sa v najostrejších bodoch: koncoch listov, ihličí a koncoch vetvičiek.

Keď lokálne elektrické pole na týchto koncoch prekročí približne 30 000 voltov na centimeter, okolité molekuly vzduchu sa začnú ionizovať. Elektróny sa odtrhávajú od atómov dusíka a kyslíka, čím sa vytvára tenký obal plazmy. Keď sa excitované molekuly vracajú späť do svojho základného stavu, uvoľňujú fotóny – prevažne v modrej a ultrafialovej oblasti – čím vzniká slabá žiara.

Námorníci to vedeli ako prví

Korónový výboj nie je v princípe nový objav. Námorníci pozorovali jeho viditeľného bratranca, oheň svätého Eliáša, už po stáročia. Tieto strašidelné modrofialové žiary na koncoch sťažňov, pomenované po svätom Erazmovi, patrónovi námorníkov, sa kedysi považovali za znamenia – niekedy dobré, niekedy zlé. Platí tá istá fyzika: vysoký kovový sťažeň lode koncentruje náboj rovnako ako koniec listu, ale s dostatočnou intenzitou na to, aby bola žiara viditeľná voľným okom.

Stretli sa s ním aj letci. Počas letu British Airways 9 v roku 1982 pasažieri a posádka sledovali, ako tancujúce žiarivé záblesky prelietavajú po čelnom skle, keď lietadlo prelietavalo cez sopečný popol a elektricky nabitý vzduch. Empire State Building vykazoval korónový výboj krátko po svojom otvorení v roku 1931.

Natáčanie neviditeľného

To, čo urobilo štúdiu Penn State prelomovou, bolo zachytenie korónového výboja na divokých stromoch v skutočných búrkových podmienkach – čo sa doteraz nikomu nepodarilo. Vedúci výskumník Patrick McFarland a jeho tím vybavili Toyotu Sienna z roku 2013 meteorologickou stanicou, detektorom elektrického poľa, laserovým diaľkomerom a periskopom namontovaným na streche, ktorý bol pripojený k UV-citlivej kamere naladenej na vlnové dĺžky medzi 255 a 273 nanometrami.

Počas letných terénnych kampaní od Floridy po Pennsylvániu tím zaznamenal stovky korónových udalostí. Počas jedného 90-minútového pozorovania v Pembroke v Severnej Karolíne ich kamera zachytila 859 korónových zábleskov na ambrovníku a 93 na neďalekej borovici kadidlovej. Jednotlivé záblesky trvali od zlomkov sekundy do približne troch sekúnd, často preskakovali medzi listami.

"Verím, že by ste videli tento pás žiary na vrchole každého stromu" počas búrok, povedal McFarland. "Toto len ukazuje, že stále sa robí objavná veda."

Prečo je to dôležité pre atmosféru

Objav má dôsledky presahujúce vizuálnu podívanú. Korónové výboje produkujú hydroxylové radikály – vysoko reaktívne molekuly, ktoré rozkladajú uhľovodíky a iné znečisťujúce látky vo vzduchu. Lesy už prispievajú k atmosférickej chémii prostredníctvom emisií prchavých organických zlúčenín, ale búrkami poháňaný korónový výboj môže pridať predtým nerozpoznaný čistiaci mechanizmus koncentrovaný na úrovni koruny stromov.

Existujú aj ekologické dôsledky. Výboje spôsobujú viditeľné spálenie koncov listov v priebehu niekoľkých sekúnd. Výskum z 60. rokov 20. storočia ukázal, že elektrické prúdy v stromoch môžu poškodiť bunkové membrány a zničiť chloroplasty – organely zodpovedné za fotosyntézu. Počas mnohých búrkových sezón by toto kumulatívne poškodenie mohlo ovplyvniť, ktoré druhy stromov sa darí v oblastiach náchylných na búrky, a mohlo formovať vývoj listov počas tisícročí.

Bežný jav, zriedka videný

Tím Penn State potvrdil identickú korónovú aktivitu počas štyroch samostatných búrok a u viacerých druhov stromov – ambrovník, borovica kadidlová, smrek a javor – čo naznačuje, že tento jav je univerzálny všade tam, kde stromy stoja pod búrkami. Dôvod, prečo zostal tak dlho nenatočený, je jednoduchý: UV vlnové dĺžky sú blokované ozónovou vrstvou Zeme a sú pre naše oči neviditeľné. Bez špecializovaného vybavenia namiereného na správny strom v správny moment zostáva svetelná šou skrytá.

Pre každého, kto niekedy stál pod korunou lesa počas búrky, je implikácia zarážajúca: každý koniec listu nad ním mohol ticho iskriť plazmou, čistiť vzduch a pomaly sa pri tom spaľovať.