Niewidzialna burzowa iluminacja drzew. Naukowcy nagrali ją po raz pierwszy
Podczas zwykłej burzy w koronie drzew rozgrywa się świetlny spektakl, którego ludzkie oko nie widzi – aż do teraz.
Amerykański zespół badawczy przez lata podejrzewał, że drzewa reagują na wyładowania atmosferyczne w znacznie bardziej spektakularny sposób, niż sądziliśmy. Żeby to sprawdzić, przerobili stare auto na mobilne laboratorium i ruszyli w pościg za nawałnicami, aż w końcu uchwycili zjawisko po raz pierwszy w naturze.
Tajemnicza poświata nad lasem
Gdy nadciąga burza, instynktownie patrzymy w górę, wypatrując błyskawic i licząc sekundy do grzmotu. Tymczasem tuż nad nami, na wysokości koron drzew, dzieje się coś, czego nie rejestruje żaden zmysł – delikatna, pulsująca poświata, która „zapala” las w ultrafiolecie.
Na trop zjawiska wpadli naukowcy z Pennsylvania State University. Od dawna przypuszczali, że w czasie burzy drzewa stają się elementem ogromnego obwodu elektrycznego łączącego ziemię, atmosferę i jonosferę. Brakowało im jednak twardych dowodów z terenu.
Badania wykazały, że w czasie burzy korony drzew potrafią emitować krótkie ultrafioletowe błyski, które układają się w subtelną, niewidzialną „iluminację” lasu.
W laboratorium udało się już wcześniej wymusić taką reakcję: gdy młode drzewka podłączano do źródła wysokiego napięcia, na liściach pojawiała się słaba, niebieskawa poświata. Pytanie brzmiało, czy coś podobnego wydarza się podczas prawdziwych burz.
Samochód-pułapka na burze i kamera, która widzi więcej
Aby to sprawdzić, badacze zbudowali mobilne centrum pomiarowe w… przerobionej Toyocie Sienna. Na dach trafiły: stacja meteorologiczna, zestaw laserów oraz kamera rejestrująca promieniowanie ultrafioletowe – czyli zakres niewidoczny dla ludzkiego oka.
Tak wyposażeni ruszyli w pogoń za liniami burzowymi, przemierzając kolejne stany na wschodnim wybrzeżu USA – od Karoliny Północnej po Pensylwanię. Czekali na nocne nawałnice, ustawiali auto na skraju lasu i włączali sprzęt w momencie, gdy pierwsze pioruny zaczynały bić w pobliżu.
Na ekranach pojawił się obraz, jakiego nikt wcześniej nie widział. Z ciemnej ściany drzew zaczęły wyskakiwać mikroskopijne rozbłyski, skaczące z liścia na liść niczym iskry. Każdy taki błysk trwał ułamek milisekundy, ale niósł miliardy fotonów ultrafioletu.
To, co dla naszych oczu jest kompletną ciemnością, w obiektywie kamery UV zmienia się w sieć szybkich, migoczących wyładowań w koronach drzew.
Według badaczy jest to pierwszy raz, kiedy tego typu emisję zarejestrowano bezpośrednio w środowisku leśnym, podczas naturalnej burzy, a nie w ściśle kontrolowanym eksperymencie.
Jak burza „podłącza” drzewa do gigantycznej baterii planety
W tle tego zjawiska działa ogromny obwód elektryczny obejmujący całą planetę. Ziemia i jonosfera – warstwa na wysokości około 50–80 kilometrów – tworzą rodzaj gigantycznej baterii o różnicy potencjałów rzędu 250 tysięcy woltów.
| Etap | Co się dzieje |
|---|---|
| 1. Różnica napięcia | Jonosfera działa jak dodatni biegun, powierzchnia Ziemi jak ujemny. Między nimi powstaje stałe napięcie. |
| 2. Burzowe „doładowanie” | Bardzo silne wyładowania z wierzchołków chmur wysyłają dodatni ładunek w stronę jonosfery, wzmacniając jej potencjał. |
| 3. Ujemny ładunek Ziemi | Pioruny uderzające w grunt przesyłają w dół strumień elektronów, przez co powierzchnia Ziemi staje się bardziej ujemna. |
| 4. Ciche rozładowanie | Przy pogodnym niebie drobne jony w powietrzu powoli przenoszą dodatni ładunek z jonosfery ku ziemi, zmniejszając różnicę potencjałów. |
Drzewa stoją dokładnie na styku tych procesów. Podczas burzy wilgotne pnie i gałęzie stają się naturalnymi przewodnikami. Ładunek elektryczny „wspina się” po nich w górę, podobnie jak wilgoć. Gdy dociera do cienkich końcówek gałązek i liści, nie ma już gdzie dalej płynąć.
W tym miejscu zaczyna działać efekt znany fizykom jako wyładowanie koronowe – rodzaj subtelnej iskry pojawiającej się wokół ostrych zakończeń przewodnika, gdy pole elektryczne jest bardzo silne. W przypadku burzowego lasu takimi zakończeniami są po prostu liście.
Naukowcy opisują widzianą w kamerze UV poświatę jako serię wyładowań koronowych, które tworzą „delikatny piorun” w czubkach drzew.
Dlaczego tego nie widzimy gołym okiem
Mimo że każde takie mikrowyładowanie wypuszcza w przestrzeń miliardy fotonów, wszystko dzieje się w pasmach, na które ludzkie oczy są ślepe. Zjawisko zachodzi głównie w ultrafiolecie, a więc w długościach fal krótszych niż te, które rejestruje nasza siatkówka.
Dodatkowo błyski są bardzo krótkie. Trwają tak mało, że nawet gdyby przesunęły się nieco w stronę widzialnego zakresu, mogłyby zlewać się dla nas z ogólną jasnością burzowych chmur i przypadkowymi refleksami.
Kamery użyte w badaniu miały czułe przetworniki dostrojone właśnie do ultrafioletu oraz wysoką częstotliwość rejestracji klatek, co pozwoliło „zamrozić” każdy miniaturowy rozbłysk. Bez takiej technologii całe zjawisko pozostawało skryte dosłownie tuż nad naszymi głowami.
Skutki dla drzew i dla atmosfery
Choć świetlna poświata wygląda fascynująco w danych z kamer, dla samych drzew nie zawsze jest łagodna. Ciągłe wyładowania obciążają tkanki roślin i z czasem mogą uszkadzać najwyższe konary, które najczęściej zbierają najsilniejsze impulsy.
Badacze wskazują też na inny aspekt. Podczas burzowego „iskrzenia” w koronach zmienia się skład chemiczny powietrza w bezpośrednim otoczeniu drzew. Wysokie pola elektryczne sprzyjają powstawaniu reaktywnych form tlenu i azotu, które mogą wpływać na lokalną jakość powietrza oraz procesy zachodzące w glebie.
- częstsze wyładowania to większe obciążenie dla drzew w górnych partiach lasu,
- zwiększona produkcja reaktywnych związków może wpływać na mikroorganizmy w glebie,
- lokalne zmiany chemii powietrza mogą oddziaływać na inne rośliny i owady.
W publikacji w czasopiśmie „Geophysical Research Letters” autorzy zwracają uwagę, że w obliczu coraz częstszych i silniejszych burz, przewidywanych w związku ze zmianą klimatu, taka „ukryta burzowa iluminacja” może stać się istotnym elementem funkcjonowania ekosystemów leśnych.
Burze w lesie pod lupą klimatologów
Większa liczba nawałnic oznacza częstsze podłączanie lasów do globalnego obwodu elektrycznego. To z kolei może zmienić tempo, w jakim górne partie atmosfery i powierzchnia Ziemi wymieniają ładunki. Nie chodzi jedynie o same pioruny, lecz także o drobniejsze procesy, takie jak właśnie wyładowania koronowe w drzewach.
Klimatolodzy od lat badają rolę burz w powstawaniu ozonu, tlenków azotu i aerozoli – cząstek, które mogą wpływać na chmury, opady i promieniowanie słoneczne docierające do ziemi. Nowe obserwacje z lasów sugerują, że w tym łańcuchu pośrednikiem są również drzewa, nie tylko chmury i powietrze nad nimi.
Co to oznacza dla zwykłego obserwatora burz
Dla osoby, która po prostu patrzy na niebo podczas letniego załamania pogody, ten niewidoczny spektakl raczej nie zmieni sposobu odbierania burzy. Może jednak dodać nowej perspektywy: każdy piorun, który widzimy nad lasem, uruchamia całą kaskadę subtelnych reakcji elektrycznych w drzewach i nad ich czubkami.
Z praktycznego punktu widzenia ważniejsza pozostaje klasyczna ostrożność: unikanie samotnych drzew na otwartym terenie, wstrzymywanie się od wchodzenia do lasu w czasie najsilniejszych wyładowań, a także dbanie o stan instalacji odgromowych w budynkach położonych przy zadrzewionych obszarach.
Dla samych naukowców las w czasie burzy stał się nowym „laboratorium pod gołym niebem”. Wyładowania koronowe w drzewach przypominają im procesy obserwowane na liniach wysokiego napięcia, w turbinach wiatrowych czy na skrzydłach samolotów. Teraz podobne mechanizmy zaczynają wyłaniać się również w analizach naturalnych ekosystemów.
W kolejnych latach badacze planują montować stacjonarne kamery UV w wybranych lasach i łączyć dane z sieciami detekcji piorunów. Dzięki temu chcą zrozumieć, które gatunki drzew świecą najmocniej, jak często dochodzi do takich wyładowań oraz czy istnieją miejsca, gdzie leśna poświata występuje praktycznie przy każdej większej burzy.
