Лепреконы и парниковые газы
Загадочные светящиеся явления высоко над грозовыми облаками долгое время считались диковинкой. А между тем выяснилось, что сказочные персонажи влияют на озоновый слой и, возможно, даже согревают землю.
На вопрос, как он зарабатывает деньги, Хольгер Винклер из Бременского института физики окружающей среды отвечает с озорной улыбкой: «На самом деле мне нравится говорить вам, что я занимаюсь исследованиями гоблинов». Он изучает причудливые световые явления над грозовыми облаками, которые производят реактивные вещества в атмосфере, а также влияют на парниковый эффект и озоновый слой.
Мощные грозы не ограничиваются тропосферой - слоем воздуха до высоты около одиннадцати километров, где и происходит наша погода. Они могут простираться до 100 километров в высоту. Долгое время ходили также слухи о зловещих светящихся явлениях, окружающих грозовые тучи: на доли секунды летчики видели, как вспыхивали километровые фигуры, очертаниями напоминающие медуз с красными головами и синими щупальцами, атомные грибы или морковь. Неудивительно, что пилоты лишь изредка сообщали о таких необычных световых явлениях: конечно, они не хотели, чтобы их принимали за чудаков, тем более что психические заболевания также играют роль в регулярных доказательствах годности к полетам. Световые явления тесно связаны с обычными вспышками.
Тоже просто молния какая-то
Каждый, кто когда-либо был близок к удару молнии, чувствовал это: в воздухе витает напряжение, от которого буквально волосы встают дыбом. Затем молния ударяет в воздух и использует электрические токи для выравнивания разницы зарядов. Такие электрические разряды в основном происходят между самими грозовыми облаками, иногда между облаком и землей. Электрические разряды также происходят между высоким слоем воздуха и грозовым облаком, но они выглядят совершенно иначе, чем обычные молнии.
Но, как и они, они вызывают химические реакции в атмосфере. Сильные электрические токи активируют молекулы в воздухе и производят различные продукты реакции, в том числе высокоэффективные парниковые газы и вещества, разрушающие озоновый слой. Но какие молекулы образуются над облаками и что они делают, до сих пор неясно. Их изучают только с 1990-х годов, хотя о них можно было узнать гораздо раньше.
Загадочные оптические явления, наблюдаемые в основном летчиками, возникали снова и снова - непредсказуемо и так же кратковременно, как моргание. Еще в 1925 году Чарльз Т. Р. Уилсон, лауреат Нобелевской премии по физике и основатель современных исследований гроз, предсказал, что электрические разряды должны быть обнаружены высоко над грозовыми облаками. Но только когда в 1989 году была случайно сделана первая фотография, сообщениям об их существовании поверили, и родилась новая международная область исследований.
Вдохновленные их мимолетной и обманчивой природой, ученые окрестили эти явления «гоблинами» в честь «духов», описанных в произведениях Шекспира «Буря» и «Сон в летнюю ночь». Слово «спрайт» также является аббревиатурой от «стратосферных / мезосферных возмущений, возникающих в результате сильной электрификации грозы». Как следует из названия, за интенсивной вспышкой облака на поверхность следует электрический разряд в виде спрайта на высоте около 80 километров в мезосфере, достигающий стратосферы..
Гоблины, эльфы, струи - целый сказочный мир над облаками
Гоблин может вырасти до 50 километров в высоту и ширину. Точный механизм образования все еще обсуждается, но «пороговое значение силы молнии имеет решающее значение», - говорит физик Винклер. С 1990-х годов было замечено несколько спрайтов. А над облаками были обнаружены новые явления оптической грозы, которые наука теперь резюмирует как «транзиентные явления люминесценции» - короче: TLE.
Помимо гоблинов, значительное внимание исследователей в настоящее время привлекает еще один представитель TLE: "Голубая струя" - бело-голубая воронкообразная струя, направленная вверх. За пятую долю секунды он фонтаном вырывается из облачного покрова на высоту 40 километров. Но эти явления - лишь часть электрического сказочного мира над облаками. Космические челноки засняли «эльфов» (эльфов), ярко-красные диски света на высоте почти 100 километров, которые волнами распространяются на сотни километров за миллисекунды.
Другие более мелкие явления в грозовых облаках или на них они окрестили «пикси» (феи), «тролли» и «гномы». У Голубой струи также есть старший брат, гораздо более редкая «Гигантская струя», которая распространяется из грозового облака на расстояние до 100 километров и поэтому будет вдвое длиннее. Мы также знаем больше о синих джетах и кобольдах, чем просто их внешний вид. Все больше и больше экспертов расшифровывают, как они образуются и какое влияние оказывают на атмосферу. Как объясняет исследователь TLE Винклер, за двумя световыми явлениями стоят очень разные явления. Поэтому их химические продукты также явно различаются.
Кобольды, например, встречаются в более высоких слоях воздуха и светятся красно-голубоватым из-за своих «холодных» плазменных нитей, в которых температура всего на несколько градусов выше, а азот (N2), возбуждаемые столкновениями электронов. Хотя голубые джеты - это тоже электрические разряды, испускающие «холодные» нити плазмы, они тоже имеют плазменный канал с температурой около 3000 градусов, и это создает совсем другие вещества.
«Область высокой температуры в голубых струях - это большая разница со спрайтами - там происходят другие реакции», - объясняет Винклер, в настоящее время единственный исследователь гоблинов в Германии. Только несколько экспертов во всем мире изучают, как TLE влияют на химический состав атмосферы. Долгое время они считали голубые джеты ничтожными, потому что еще несколько лет назад ничего не было известно об их горячем плазменном канале - но именно он производит некоторые важные вещества.
Любопытная химия гоблинов
Горячие плазменные каналы, как известно, являются источником оксида азота (NO) и диоксида азота (NO2) от обычных грозовых молний. Такие оксиды азота влияют на наш озоновый слой, который, в свою очередь, защищает нас от жесткого ультрафиолетового излучения. Однако до сих пор нет оценок образования соединений азота для голубых джетов, учитывающих также их вновь открытые высокотемпературные области. Наконец, в 2015 году Винклер показал, что голубая струя может привести к локальному истощению озонового слоя.
Для того чтобы исследовать эффекты в больших масштабах, Винклер и его коллеги из Испании, Италии и США впервые использовали глобальную «климатико-химическую модель». Его задача сложна и требует больших вычислительных ресурсов: «Сначала он должен рассчитать реакции всех веществ друг с другом», - говорит Винклер. «Тогда ему все еще нужно учитывать процессы переноса, потому что вещи перемещаются взад и вперед за счет ветра и диффузии. И, наконец, ему все еще нужно рассчитывать скорость нагрева. Это означает, что вы смотрите на то, как солнечный свет проходит через атмосферу: что такое где впитывается, что отражается от облаков и так далее."
В течение нескольких недель суперкомпьютер рассчитывал, как выделившиеся азотные вещества распределяются в атмосфере по годам и где они накапливаются. Результат исследования был недавно опубликован в «Журнале геофизических исследований»: согласно этому, в некоторых сценариях голубые струи выбрасывают в атмосферу значительное количество азотистых веществ, в том числе удивительное количество закиси азота, широко известной как смехотворная. газ. Винклер, соавтор исследования, объясняет актуальность: «Веселящий газ имеет продолжительность жизни более 100 лет и является значительно более мощным парниковым газом, чем CO2». может производить до 3,8 млн тонн закиси азота ежегодно - это будет около 20 процентов от общего количества природных источников.
Винклер признает, что эти самые первые оценки теперь являются предметом международных дебатов, но голубые струи парникового эффекта, вероятно, больше не являются чем-то незначительным. С другой стороны, их влияние на глобальный озоновый слой оказывается меньшим, чем предполагалось. В то время как расчетное производство закиси азота было значительно выше, чем ожидалось, образование NO и NO2 казалось довольно незначительным по сравнению с обычными вспышками. Во всем мире голубые самолеты могут быть причиной максимум пяти процентов разрушения озонового слоя.
Важный фактор в земной системе?
Эти эффекты не способствуют изменению климата, в котором играют роль только изменения в общей системе. Но исследование помогает понять, как в климатической системе возникает естественный постоянный парниковый эффект. Азотистые вещества также могут привести к образованию азотной кислоты, которая, возможно, способствует кислотным дождям, но Винклер не хочет так далеко высовываться из окна.
Чего сейчас не хватает ученым, так это реальных данных измерений. Получить его сложно: согласно исследованию, в любой точке Земли существует только одна голубая струя в минуту. Это гораздо более распространено, чем считалось ранее, но вам все равно должно повезти, чтобы их поймать. Кроме того, никто добровольно не летает через сильные грозы, добавляет Винклер. Поэтому он с нетерпением ждет данных измерений от ASIM, нового спектроскопического измерительного прибора на Международной космической станции, который был разработан под руководством датской компании специально для исследований TLE.
Первое химическое воздействие спрайтов, однако, могло быть измерено японским прибором на Международной космической станции. В настоящее время Винклер работает над соответствующим моделированием, которое он также представил на Весенней конференции по физике Германии. Сложность в том, что многие химические процессы протекают параллельно и сначала приходится распутывать данные измерений и модели. Но он утверждает: «В спрайтах также будут образовываться радикалы азота, в этом нет никаких сомнений. Однако производство закиси азота, вероятно, будет значительно ниже, чем в голубых струях, потому что у спрайтов нет таких высоких температур». С другой стороны, в спрайтах появятся водородные радикалы, такие как OH и HO2, что, в свою очередь, повлияет на химию озона. Согласование его моделирования Кобольда с предполагаемыми данными измерений, вероятно, займет его надолго.
Как модельер, он еще не пробовал увидеть TLE своими глазами: «Я не выйду», - смеется он, пожимая плечами. Он советует всем, кто хочет поймать воочию голубую струю, идти боком к сильной грозе, чтобы иметь возможность смотреть по диагонали через облачный покров. Мигающее облако следует прикрыть, чтобы не проглядеть более слабое свечение гоблинов. В ясный день, когда на горизонте бушует настоящая гроза, даже самые незаметные гоблины кажутся в небе ростом в несколько дюймов.