Молния красива, но и смертельно опасна. Она также «пускает газы». Вернее, она производит газ, который содержится в автомобильных выхлопах — оксид азота (NO). Этот газ может негативно влиять на качество воздуха и вызывать респираторные заболевания у людей, но как образующийся во время молний оксид азота влияет на атмосферу, до конца неясно.
Впервые учёные использовали спутниковые наблюдения для изучения воздействия молний на воздух
Группа учёных впервые использовала высокочастотные спутниковые наблюдения, чтобы создать эксперимент, который может обнаружить молнии и их воздействие на воздух. Учёные выяснили, что во время гроз одновременно образуются как загрязняющие вещества, так и важные химические соединения, которые помогают очищать атмосферу Земли.
Как молния создаёт газ
Удары молнии генерируют чрезвычайно высокие температуры, которые разрушают молекулы азота и кислорода в воздухе. Это молекулярное разрушение создаёт оксид азота, диоксид азота (NO₂) и другие виды газов, содержащих оксид азота. Это те же самые загрязнители воздуха, которые образуются при сжигании ископаемого топлива в автомобилях, электростанциях и других источниках. В свою очередь, оксиды азота создают озоновое загрязнение.
«Молния в глобальном масштабе составляет от 10 до 15 процентов от общего количества оксидов азота, выбрасываемых в атмосферу», — заявил учёный из Университета Мэриленда Кеннет Пикеринг.
Хотя в атмосфере значительно больше загрязнений, образующихся в результате деятельности человека, молния выбрасывает оксиды азота на гораздо больших высотах. На этих высотах молния может создавать озон — резкий, бледно-голубой газ. Увеличение количества озона может привести к увеличению загрязнения воздуха в верхних слоях атмосферы, подобно тому, как автомобильные выхлопы генерируют озоновые загрязнители у поверхности земли.
Иногда озон, образующийся во время молнии, может переноситься на поверхность Земли, влияя на качество воздуха за сотни миль от первоначального шторма. Этот эффект обычно усиливается летом, когда температура повышается и производится больше озона.
«Влияние молний на климат в летний сезон сравнимо с антропогенно создаваемыми оксидами азота, поэтому мы хотели изучить грозы в июне», — пояснил учёный-исследователь атмосферы Дейл Аллен.
Однако молния не только создаёт это высокоуровневое атмосферное загрязнение. Она также запускает образование гидроксильных радикалов. Эти важные молекулы помогают очищать атмосферу Земли, разрушая парниковые газы, такие как метан, и фоновые уровни озонового загрязнения, которые не возникли из более локальных источников, созданных человеком.
Цепные реакции в атмосфере
Чтобы выяснить это, Аллен и Пикеринг использовали данные, полученные с помощью инструмента NASA Tropospheric Emissions: Monitoring of POllution (TEMPO). TEMPO был запущен в 2023 году и отслеживает загрязнители воздуха с высоты 22 000 миль над Землёй.
В конце июня команда внимательно следила за грозами, которые перемещались по восточной части Соединённых Штатов, используя TEMPO. Обычно спутник отслеживает загрязнители воздуха каждый час. Вместо этого в эксперименте Пикеринга и Аллена измерения диоксида азота, связанного с каждой грозой, проводились каждые 10 минут.
Измеряя диоксид азота каждые 10 минут, они наблюдали за сложными атмосферными процессами, происходящими в режиме реального времени внутри каждой грозы.
«Это первый раз, когда подобное исследование проводилось с такой временной частотой», — сказал Пикеринг. «Грозы развиваются очень быстро. Они часто нарастают, усиливаются и затухают в течение часа. Эти наблюдения с короткими интервалами дают нам более полное представление о том, что происходит во время грозы».
С помощью этого эксперимента и данных со спутников Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) команда подсчитала количество вспышек молний по мере их возникновения. По словам Аллена, это даёт «более точное представление о том, сколько диоксида азота производит каждая вспышка молнии во время грозы и как долго он сохраняется после этого».
Кроме того, эксперимент даёт представление о цепной реакции, которая связывает загрязняющие оксиды азота с очищающими атмосферу гидроксильными радикалами.
«Мы считаем, что, когда грозы становятся более интенсивными, вспышки молний становятся короче и производят меньше оксида азота за вспышку», — сказал Аллен. «Это исследование даст нам возможность доказать это. Понимание того, как изменится «след» молний в мире с усиливающимися экстремальными погодными условиями, важно для формулирования климатических моделей будущего».
Отслеживание озона
Предварительные данные этого эксперимента ещё не прошли рецензирование, но дополнительный анализ может помочь улучшить климатические модели, влияющие на повседневную жизнь на Земле. Газы, образующиеся во время молний, могут переноситься по длинным «конвейерам движущегося воздуха» и, возможно, влиять на качество воздуха вдали от места возникновения штормов, отметил Аллен. Молния также иногда способствует образованию озона у поверхности земли, который является основным компонентом смога, вызывающего астму и другие респираторные заболевания.
«Для людей, живущих в горных районах, таких как Колорадо, эта информация может быть очень важна, поскольку молния вносит значительный вклад в образование поверхностного озона на больших высотах», — сказал Пикеринг. «Это может повлиять на то, как метеорологи прогнозируют качество воздуха во время и после штормов в таких регионах».
Эксперимент также позволяет заглянуть в способность атмосферы естественным образом разрушать загрязнители, включая метан и другие вредные углеводороды, ответственные за глобальное потепление.
«С улучшением данных появляются более точные прогнозы и, возможно, более эффективные способы защиты нашего здоровья и окружающей среды от как естественного, так и антропогенного загрязнения», — сказал Аллен.