Кончики листьев светятся синим в грозу.
Электрическая энергия, генерируемая грозами, может заставить наши волосы встать дыбом и даже создать невидимые искорки на деревьях. Теперь у нас впервые есть фотографическое доказательство этого давно теоретизированного электрического явления.
Короны, светящиеся на кончиках хвоинок. Изображение: Уильям Брюн.
Во время грозы в Северной Каролине в июне 2024 года учёные заметили слабые электрические разряды, называемые коронами, на кончиках листьев. Основываясь на этом открытии, можно предположить, что грозы могут окрашивать целые кроны деревьев в эфирное голубое свечение, слишком слабое для человеческого глаза. Короны также могут обжигать самые кончики листьев. Учитывая, как часто кончики листьев могут гореть, штормы могут наносить вред кронам деревьев и, возможно, даже сформировали эволюцию деревьев, чтобы ограничить ущерб. Результаты исследования подробно описаны в статье, недавно опубликованной в журнале Geophysical Research Letters.
«Это на самом деле происходит; мы это видели; мы знаем, что они существуют сейчас», — объяснил Патрик МакФарланд, соавтор исследования и метеоролог из Пенсильванского государственного университета. «Наконец-то иметь конкретные доказательства этого… вот что, я думаю, самое интересное».
Поиск голубого свечения
Почти 100 лет учёные предполагали, что слабые электрические разряды от гроз попадают на растения, но никогда не наблюдали и не измеряли их во время настоящей грозы. Вместо этого они могли только догадываться на основе аномалий, наблюдаемых в электрическом поле в лесах.
Лабораторные эксперименты за последние 50 лет также продемонстрировали, как они могут формироваться в дикой природе. Теоретически заряд грозы наверху индуцирует противоположный заряд в земле внизу. Этот заряд земли затем притягивается к заряду над ним и движется к самой высокой точке, которой он может достичь. В лесу самой высокой точкой являются кончики листьев на деревьях. Оказавшись там, электричество разряжается через верхушки деревьев, образуя короны.
«В лаборатории, если вы выключите весь свет, закроете дверь и зашторите окна, вы едва сможете увидеть короны. Они выглядят как голубое свечение», — сказал МакФарланд, вспоминая, как его команда воссоздала это явление в помещении, поместив заземлённые листья деревьев под заряженные металлические пластины.
Подобные эксперименты с использованием горшечных деревьев также показали поразительную взаимосвязь между растениями и электрическим разрядом. Ультрафиолетовое (УФ) излучение корон увеличивалось с той же скоростью, что и электрический ток, измеренный в деревьях. Это поднимает вопрос о том, что эти УФ-излучения могут быть способом измерения этого тока и любого связанного с ним ущерба. По словам МакФарланда, исследования, проведённые ещё в 1960-х годах, показали, что электрические токи, протекающие в деревьях, разрушают клеточные мембраны и уничтожают хлоропласты, которые деревья используют для фотосинтеза — или для производства пищи из солнца.
Как пилоты избегают гроз — и что происходит, когда они не могут этого сделать
Как молния выпускает газ
Молния убивает 320 миллионов деревьев каждый год
На самом деле, во время грозы при молнии не стоит приседать
Горячие колёса
Чтобы поймать короны во время настоящей грозы, потребовался подход, знакомый каждому, кто смотрел фильм «Смерч». Команда оснастила Toyota Sienna 2013 года выпуска метеостанцией, детектором электрического поля, лазерным дальномером и перископом на крыше, который мог направлять свет прямо в ультрафиолетовую камеру. Этот перископ и камера позволили команде обнаружить короны в полевых условиях исключительно на основе их УФ-излучения.
«Нам пришлось вынуть одно из сидений и положить виброизоляционные прокладки, чтобы наши инструменты не подпрыгивали, когда мы ехали», — сказал МакФарланд. «Самое интересное было взять лобзик и вырезать двенадцатидюймовое отверстие в крыше. Полностью убил стоимость при перепродаже, но это нормально».
Модифицированная Toyota Sienna, которую команда использовала для наблюдения за коронами на деревьях во время гроз в полевых условиях. Перископ на крыше направляет свет на чувствительную к ультрафиолету камеру для обнаружения корон на открытом воздухе, где окружающий свет делает их невидимыми для человеческих глаз. Изображение: Патрик МакФарланд.
Когда метеостанция была готова, началось погоня за штормами. Команда смотрела видеозапись в безопасности внутри автомобиля и направляла камеру на три ветки сладкого дерева в Пемброке, Северная Каролина.
«Мы сидим и смотрим на эту видеозапись, пока гроза бушует над головой», — сказал МакФарланд. «Вы ищете самые слабые сигналы на видеопотоке, на котором ничего нет… Очень сложно сказать в реальном времени, видите ли вы что-нибудь».
Большое жужжание
Когда они проанализировали видео, они увидели 41 корону на кончиках листьев в течение 90 минут. Подсказкой о том, что явление произошло, были скопления УФ-сигналов, которые отслеживались с ветвями, пока они раскачивались на ветру. Эти свечения длились до трёх секунд, часто перемещаясь с листа на лист. Короны возникали и вели себя аналогичным образом на близлежащей лоблолли-сосне и на деревьях во время четырёх других штормов, за которыми команда следила между Флоридой и Пенсильванией, несмотря на различия в видах деревьев и силе штормов.
Команда считает, что это может означать, что короны возникают в изобилии, излучая от десятков до сотен листьев на каждой верхушке дерева во время одной грозы. МакФарланд говорит, что человек со сверхчеловеческим зрением мог бы «увидеть эту полосу свечения на вершине каждого дерева во время грозы. Вероятно, это выглядело бы как довольно крутое световое шоу, как будто тысячи УФ-сверкающих светлячков спустились на верхушки деревьев».
Если это так, короны могут оставлять видимые ожоги на кончиках листьев в течение нескольких секунд и даже повреждать кутикулу — восковое покрытие, которое защищает листья от УФ-повреждений и обезвоживания. Хотя один коронарный разряд, по-видимому, не причиняет особого вреда листьям, команда предполагает, что повторяющиеся короны по всей кроне дерева от нескольких штормов могут повредить листья. В будущем команда надеется поработать с лесными экологами и ботаниками, чтобы исследовать эти шокирующие явления дальше.
«Вот куда я бы хотел пойти дальше, чтобы выяснить, какое влияние это оказывает на само дерево и на лес в целом», — сказал он.