Tajemnicza świetlna poświata nad lasem. Naukowcy po raz pierwszy ją zarejestrowali

Burza, las i coś, czego ludzkie oko nigdy dotąd nie zobaczyło.

Naukowcy złapali zjawisko, które od lat wymykało się obserwacjom.

Amerykański zespół badaczy przez wiele sezonów gonił burze starym vanem przerobionym na mobilne laboratorium. W końcu udało się nagrać delikatną, pulsującą poświatę nad koronami drzew – efekt potężnych pól elektrycznych, o których istnieniu fizycy tylko teoretyzowali.

Niewidoczny pokaz świateł nad naszymi głowami

Każdy kojarzy pioruny rozcinające niebo i grzmot odbijający się echem od ziemi. Mało kto przypuszcza, że w tym samym czasie, tuż nad czubkami drzew, rozgrywa się druga część spektaklu – cicha, ultrafioletowa iluminacja, zupełnie niewidzialna dla człowieka.

Zespół z Pennsylvania State University od lat podejrzewał, że drzewa „odgrywają” własną rolę w burzowej elektryczności. Fizycy widzieli w laboratorium delikatną, niebieskawą poświatę, gdy przepuszczali prąd przez młode rośliny. Prawdziwym celem było jednak uchwycenie tego samego efektu w naturalnym lesie podczas prawdziwej nawałnicy.

Badacze zarejestrowali nad koronami drzew pulsującą błękitną poświatę w paśmie ultrafioletu. To forma tzw. wyładowań koronowych, powstających, gdy burza silnie ładuje atmosferę i same rośliny.

Do tego zadania przerobili wysłużoną Toyotę Sienna. Na dach trafiły: małe mobilne stacje meteorologiczne, system laserów, a przede wszystkim czuła kamera rejestrująca ultrafiolet. Dzięki temu mogli jeździć od burzy do burzy – od Karoliny Północnej aż po Pensylwanię – i „polować” na ujęcia, których nie da się zobaczyć gołym okiem.

Jak burza zamienia drzewa w świetliste anteny

W czasie gwałtownego załamania pogody chmury zachowują się jak gigantyczna bateria. Między ich górną częścią a ziemią powstaje ogromna różnica potencjałów. Część tego napięcia przenosi się na wszystko, co wystaje z powierzchni terenu – w tym na drzewa.

Pnie, pełne soku i wody, zachowują się jak przewodniki. Ładunek stopniowo wspina się w górę, aż dotrze do liści i gałązek. Tam natrafia na powietrze, które dużo gorzej przewodzi. Gdy różnica potencjałów staje się zbyt wysoka, powietrze przy krawędzi liści zaczyna się jonizować i dochodzi do tzw. wyładowań koronowych.

Każde takie mikrowyładowanie trwa ułamek mikrosekundy i emituje miliardy fotonów w paśmie ultrafioletu. Dla kamer czułych na ten zakres koron drzew wygląda jak migocząca, błękitna aureola.

Dla ludzkiego wzroku to zjawisko jest praktycznie nieosiągalne. Flary są za krótkie, zbyt słabe i mają niewłaściwą długość fali, aby trafić w zakres widziany przez człowieka. Stąd wrażenie, że nad lasem dzieje się tylko to, co widać – błyskawica, deszcz i wiatr.

Globalny obwód elektryczny: planeta jak gigantyczna bateria

Zrozumienie świetlnej poświaty nad lasem wymaga spojrzenia szerzej. Ziemia posiada tzw. globalne obwody elektryczne. Między powierzchnią planety a górnymi warstwami atmosfery (jonosferą, zaczynającą się mniej więcej 50–80 km nad nami) utrzymuje się napięcie rzędu około 250 tysięcy woltów.

Podczas burzy potężne pioruny wstrzykują dodatni ładunek do jonosfery, a jednocześnie przesyłają elektrony w dół, w stronę ziemi. Powierzchnia planety staje się wtedy mocniej naładowana ujemnie. Po ustaniu burzy przy ładnej pogodzie między jonosferą a ziemią stale płyną drobne prądy, które nie wywołują piorunów, ale bardzo powoli rozładowują tę „planetarną baterię”.

Co zarejestrowały kamery na dachu starej Toyoty

Gdy badacze ustawiali przerobionego vana w pobliżu burzowych chmur, instrumenty zapisywały pełne spektrum zjawisk: gwałtowne skoki natężenia pola elektrycznego, zmiany wilgotności i wiatru, a przede wszystkim – setki krótkich błysków w ultrafiolecie nad drzewami.

Na ekranach komputerów obraz wyglądał, jakby po koronach drzew tańczyły błękitne iskry. Światło przeskakiwało z liścia na liść niczym elektrony w starym kineskopie. Bez specjalistycznej optyki i filtrów byłaby to tylko pozornie zwykła, ciemna burzowa noc.

• czas trwania pojedynczej flary: ułamki mikrosekundy
• zakres widma: głównie ultrafiolet, poza zakresem ludzkiego wzroku
• energia: wystarczająca, by modyfikować skład chemiczny powietrza tuż nad koronami
• miejsce: przede wszystkim zewnętrzne części koron, pojedyncze liście i cienkie gałęzie

Badacze podkreślają, że zjawisko nie jest śladowym efektem – to realny, regularny element burzowego krajobrazu. Po prostu dopiero teraz dysponujemy sprzętem, który pozwala to zarejestrować bezpośrednio w naturze, a nie tylko na kontrolowanym stanowisku laboratoryjnym.

Cień dla drzew: jak burze mogą je uszkadzać

Widok migoczących koron może wydawać się romantyczny, ale dla samych drzew wcale taki nie jest. Gwałtowne wyładowania przy liściach oznaczają silne pola elektryczne i lokalne podgrzewanie powietrza. To potrafi zmieniać chemię otoczenia, a w skrajnym przypadku nawet uszkadzać tkanki roślin.

Częste i intensywne burze mogą stopniowo niszczyć najwyższe partie drzew – końcówki gałęzi, pąki i delikatne liście, które działają jak pierwsza linia kontaktu z ładunkiem atmosferycznym.

Naukowcy zwracają uwagę, że wiele modeli klimatycznych przewiduje w najbliższych dekadach częstsze i silniejsze burze w wielu rejonach globu. To oznacza, że świetlisty spektakl nad lasem może pojawiać się częściej niż dotychczas, a co za tym idzie – wpływać na stan drzewostanów w sposób, którego nie uwzględniali dotąd leśnicy ani ekolodzy.

Skutki dla atmosfery i klimatu lokalnego

Wyładowania koronowe nie tylko „denerwują” same rośliny. Zmieniona chemia powietrza tuż nad nimi może wpływać na tworzenie się cząstek aerozolu i małych kropelek wody. To z kolei może wpływać na lokalne tworzenie chmur, a w dłuższej skali – na bilans energetyczny danego obszaru.

Wysokoenergetyczne procesy przy koronach drzew mogą zwiększać stężenie niektórych reaktywnych związków, takich jak tlenki azotu. Te związki uczestniczą w reakcjach prowadzących do powstawania ozonu troposferycznego, który w dużych ilościach szkodzi roślinom, ludziom i zwierzętom.

Czego jeszcze nie widzimy podczas burzy

Historia z poświatą nad lasem przypomina, że nawet dobrze znane zjawiska – jak burza – wciąż kryją wiele warstw. Nasze oczy to dość ograniczone narzędzie. Nie dostrzegają ani ultrafioletu, ani wielu słabych sygnałów elektrycznych i magnetycznych, które pojawiają się podczas nawałnicy.

W ostatnich latach naukowcy coraz częściej używają kamer czułych na różne zakresy widma, od ultrafioletu po daleką podczerwień, a także anten rejestrujących bardzo szybkie impulsy radiowe. Dzięki temu pojawiają się kolejne doniesienia o zjawiskach, które zachodzą równolegle do „znanych” piorunów – jak gigantyczne wyładowania sięgające krawędzi jonosfery czy błyski generujące wysokoenergetyczne promieniowanie.

Świetlna poświata nad koronami drzew dołącza teraz do tej listy. Dla meteorologów i fizyków atmosfery to kolejny element układanki opisującej, jak energia burzy rozkłada się w pionowym profilu od ziemi aż po górne warstwy atmosfery.

Co z tego wynika dla zwykłego obserwatora burzy

Choć człowiek nie zobaczy ultrafioletowej aury nad lasem, warto mieć świadomość, że stojąc w pobliżu wysokich drzew w czasie burzy, wchodzimy w obszar bardzo silnych pól elektrycznych. To kolejny argument, aby nie chować się przed piorunami pod samotnymi drzewami czy na krawędzi lasu.

Dla ludzi pracujących w leśnictwie i ochronie przyrody zjawisko to jest sygnałem, że burze wpływają na las nie tylko przez wiatr i ogień (pioruny wywołujące pożary), lecz również poprzez powtarzające się uderzenia ładunku elektrycznego w najwyższe partie drzew. W regionach, gdzie prognozuje się wzrost intensywności burz, może się to przełożyć na inne tempo starzenia się koron i większą podatność na choroby.

Z punktu widzenia nauki poświata nad lasem otwiera też nowe pytania: czy różne gatunki drzew reagują na ładunek w odmienny sposób, jak wpływa na to wilgotność, pora roku, a może nawet zanieczyszczenia powietrza. Odpowiedzi mogą wyjaśnić nie tylko zachowanie pojedynczych drzew podczas nawałnic, lecz także to, jak burze przekształcają powietrze, którym oddychamy, i krajobrazy, które wydają się nam tak dobrze znane.