一个闪电的化学

好莱坞可能会选择他们的故事,但飞行员飞行Nasa的dc - 8飞机毫无疑问地球科学实验室有正确的东西。一场竞选期间中央大平原的美国在2012年初夏,dc - 8的飞行员在空中度过他们的时间故意拦截雷暴。风暴,越大越好。

在每个航班是化学家的贵重货物及其分析工具。深对流云系和化学活动是一个主要的美国合作项目研究大雷暴在大气化学的影响。通过比较空气进入雷雨的分子化妆出来,团队旨在理解强大的对流和雷击的影响大气的化学成分。这项研究将在主题有关联,从城市空气污染与温室气体生产。

“飞行员是了不起的,”威廉·布伦回忆,宾夕法尼亚州立大学的大气化学家之一的科学领导运动,谁占领了驾驶舱弹跳座椅上的许多航班,决定哪些风暴追逐。监视雷达,飞行员将裙子风暴的核心,绕到云砧。“他们不会让你太接近,但像我们可以最大化我们看到的到来的风暴,”布伦说。在这些风暴和云铁,它真是太壮观了。”

同样壮观的,事实证明,是团队收集的数据。在几个航班,团队发现令人困惑的羟基浓度峰值在雷暴,数量级高于以往任何大气测量的活性自由基。地球大气层的主要氧化剂、空气净化的能力本身的关键,这一发现可能是重要的,因为它是令人费解。

十年后的最后一次飞行场活动,布伦和他的同事的最新的羟基峰值表明闪电的影响改变了大气的化学成分达到远比此前认为的。

没有限制

一道闪电照亮天空。每个闪电目前仍只有厚,但携带这么多能量周围的空气加热到30000°C,远比太阳表面的温度。

但在对流层上部,它出来的雷暴,臭氧是一种温室气体

闪电与地面,直接撞击很容易强大到足以爆炸成熟的树木,创造条件完全不同的日常(参见下面的盒子P释放)。每个螺栓都是同样破坏性一路沿着其典型的5公里长度在空中。任何分子螺栓附近的原子将被撕裂成组件。大多数这些分子将二氮(N₂)和分子氧(O₂),空气的两个主要组件。这些原子冷却和重组,他们可以找到自己与新的合作伙伴。

罢工的30000°C时,我们看到,所以明显看闪电,有非常独特的化学,”布伦说。的主要气体的人知道,在无数的任务措施,一氧化氮,没有。的温度对闪电的生产至关重要,而不仅仅是在加热阶段。它需要空气冷却极快,不到一毫秒的时间,所以它基本上冻结不,否则氮N₂和氧气回到O₂,”布伦说。

罢工后,不可以接受一系列的反应与其他氧和氮原子和分子。两个关键物种,结果是二氧化氮和臭氧。每个雷击可能是一个小事件在全球大气成分,但随着地球每天超过三百万次闪电的经历,他们的影响力会增加。

雷暴在臭氧生产和分配的影响是研究的焦点玛丽·巴斯的大气化学家美国博尔德市国家大气研究中心的Collorado。在地上,臭氧是一种污染物;它会导致健康问题,”巴斯说。但在对流层上部,它出来的雷暴,臭氧是一种温室气体,”她说。

雷暴在无数方面可以影响臭氧浓度。甲醛,例如,一个共同的组件的空气污染,是一种臭氧前体,可以向上的强大的对流雷雨,巴斯说。但甲醛将部分溶解到云滴,所以有些会下雨了而不是运输高,改变化学平衡,”她补充道。

努力对付对流层臭氧的作用上的温室气体,的一个关键目标是量化lightning-driven生产主要的前兆,lightning-derived二氧化氮(没有₂)。这个分子分解到没有阳光的作用下,它会释放一个氧原子,可以结合臭氧分子氧。

闪电的氮氧化物产量已经研究了几十年,它是如何形成的,经常是如何形成的,以及有多少每闪电形成,”巴斯说。然而,没有_x生产仍高度不确定,被雷电击中报告从32 - 664 -摩尔_x每闪。“对我来说,这仍然是相当年轻的领域,我认为我们可以做得更好,”巴斯说。

加强测量的_x生产雷击的主要目标2012深对流云系和化学领域的活动。“我们早上起床,跟天气预报,风暴的概率,他们会告诉我们在不同的地区,”巴斯说。团队可能会飞出,空气采样,希望暴风雨能发展。“那么繁荣,暴风雨来了。俄克拉何马州这些惊人的大风暴,成长得如此之快,”巴斯说。

的兴奋当我们发现一个人会看到观测出来在电脑数据收集,”她说。在一个飞行飞机被一个小闪电,虽然没有什么不能固定在一块胶带pinky-sized洞。

团队没有_x尺寸缩小的中档以前的结果,在142 - 291摩尔_x/ flash。预测一个特定的风暴_x输出和准确地捕获大气过程的过程在计算机模型,仍然是棘手的。“有时我觉得每个风暴正在自己的个人,但我们获得了一些更好的线索,”巴斯说。只有在没有思考_x生产/ flash可能错过一些关键参数。我们认为氮氧化物的数量与闪电的长度有关,”她说。我们学到的东西就像你有更频繁的闪电,当你有更短的闪光。

鬼罢工

一次强烈的夏季雷暴可以宣泄的事件。一旦闪电节目结束,雨停止,世界似乎通常可以重新刷新。没有浓度由闪电引起的启动一连串的反应,不仅可以提高空气的供应的臭氧,但是大气的主要清洁氧化剂,羟基自由基。

羟基的影响一生的许多化合物在大气中,自然和人为的,第一次来到光在1970年代。的一段时间,羟基测量是首要任务,”布伦回忆说。大气中羟基的数量相当于几十千的五次方分之几,所以很难测量,很多事情可以干扰你的测量。

在许多环境中我们有一个很好的处理什么羟基

最终,开发了两种方法来准确确定空气中羟基含量。1、大规模spectrometry-based方法、反应的羟基isotopically贴上标签₂,使isotopically贴上硫酸可电离和检测。这很奇怪,但它的工作原理,”布伦说。布伦使用另一种方法,根据羟基特征吸收特定波长的紫外线。我们把空气通过一个小针孔,再用激光调谐到一个吸收。的关键是时机。光散射从空气分子会压倒荧光我们看到了一百万倍,所以我们使用探测器可以打开和关闭非常快,”布伦说。我们关掉激光等100纳秒,然后把它收集的最后一部分羟基荧光。

这些天我们有一个很好的理解大气中的羟基来源,布伦说。“我研究了大气羟基16飞机领域的任务,可能二十tower-based任务,在城市,森林,沙漠地区,农村地区。在许多环境中我们有一个很好的处理什么羟基。

基础上,了解一个地方羟基是不会被雷击的核心,根本不会在酷热的地方。任何哦都会消耗微秒之内,所以它不会做任何事情。太快了我们不可能探测到它,”布伦解释说。

我们看到这些非常大哦信号时的云,我们真的不知道他们的意思

只有间接生产羟基的级联反应导致闪电的一代,是预期。然而,激光荧光仪器上深对流云系的dc - 8和化学领域活动保持捡莫名其妙地巨大的羟基浓度峰值,数量级比以往大气羟基观察。

“飞行后我跟我的同事在飞机运行我们的工具,”布伦说。他们会说”的时候我们看到这些非常大哦,信号的云,我们真的不知道他们的意思。“当时,团队主要集中在测量任务的任务,与奇怪的羟基结果看着在稍后的日期。布伦终于找到时间去重新审视一个夏天的数据。但我们从来没有看一遍,直到几年前,只是为了在夏天突发奇想。我使用了一些新的分析技术发达,看起来和信号,说“这些都是真实的!”

使用数据从美国闪电映射数组,一些羟基一峰值的时间事件可以清楚地与雷击。一些峰值也紧随闪电捕捉到画面由飞机的机载前置摄像头拍摄的。但约三分之一的羟基检测事件没有关联到一个flash。

我们看到哦周围可见的火花,在subvisible排放不热

尝试野外观测的意义,是时候生成一些人造闪电在实验室。“我们看到我们可以让很多的哦,这样与火花什么的,”布伦说。至关重要的是,大量的羟基检测照明设备时拒绝如此之低,没有明显产生了火花。

我们的结论是,我们看到哦周围可见的火花,在subvisible排放不热。有足够的能量在这些排放,外面热通道,来把水分子裂开,这就是我们现在看到的羟基,”布伦说。“你可以想象,当你在云,有各种各样的电荷分离和小排放。一些好的数量的生产哦

基于团队的测量,subvisible闪电可以产生高达16%的全球大气羟基。弗朗西斯科说,这是一个很有趣的观察结果Gordillo-Vazquez天体物理学研究所的安达卢西亚的西班牙。“我们所做的实验工作在我的实验室里复制这些结果,”他补充道。“到目前为止,这些氧化剂只是认为是间接地由于没有注入。现在角度的变化,因为他们是直接生产。”

的精灵

Subvisible罢工只是一个周围的大气电物种最近发现和雷暴,影响大气的化学成分。我们看到的闪电从雷云放电向地面只是故事的一半。仅在1989年,研究人员表明,在云层之上,精灵,精灵和其他外来电物种可以找到跳舞在打雷。

苏格兰在1920年代,诺贝尔奖得主查尔斯•威尔逊曾经猜测,大气中的高,空气密度低,所以电场击穿当地的空气更容易,发光放电称为精灵可能发生。1989年,两名精灵被记录在大雷雨在美国中西部的机会。

它随后显示,精灵可以达到90多公里,电离层的基础。我们可以把上层大气排放的丢失块全球电路,连接对流层和电离层的Gordillo-Vazquez说。

在实验室里,冷冠状放电产生臭氧和N₂O

上层大气瞬态发光的事件(tl)可以解释背后的另一个神秘的观测大气化学吗?“60年代末以来已经有报道,不时地突然增强的臭氧接近雷暴天气,“Gordillo-Vazquez说。报告的观察与臭氧气体的不一致的间接通过lightning-generated没有化学生产。的臭氧有猜测,这种增强可能是由于闪电本身。”

定期的闪电并不直接产生大量臭氧,但这些高臭氧浓度的口袋可以tl的直接结果吗?与闪电放电是非常热,能量强大的电场的框架是冷。这是了解他们的“化学个性”的关键,“Gordillo-Vazquez说。在实验室里,冷冠状放电直接产生大量臭氧和另一种温室气体,N₂o .后者后被认为是第三个最重要的温室气体有限公司₂和甲烷。

如何处理现在的tl已经成为监控他们的能力变得简单多了。我们参与太空任务称为大气空间交互监控(ASIM),仪器安装在国际空间站2018年4月以来,“Gordillo-Vazquez说。ASIM已经被证明是一个强大的工具检测电晕放电在雷云。“第一次ASIM使得我们了解电晕发生在雷云的本质,和地图分布和频率。

ASIM测量化学物种的生产不了电晕放电,但鉴于这些电活动的广泛分布ASIM检测到,他们可能是一个重要的温室气体的自然来源如果他们的化学就像电晕在实验室创建的。”这是多么重要的贡献的化学预算这些气体在大气中吗?仍然是学习,Gordillo-Vazquez说。即将推出的新一代空气质量监测卫星,即将在地球静止轨道高于美国,欧洲和亚洲,可能提供缺失的拼图的数据必须完成这幅画。

更多的数据也将有助于布伦公司自己估计的全球意义subvisible闪电羟基的生产。我们飞过七风暴铁砧,而就是这样,所有的数据,”他说。这样做吧,你将不得不重复用一架飞机,更多的仪器测量电场,电荷,电荷分离,“他说。更广泛的雷暴,包括热带风暴,闪电,需要取样。这是有可能的,但是这个任务队列中。

巴斯说,但真正的回报,可以把这些仪器的飞机飞到雷暴,而不是回避。大多数时候我们看待事物在空中进入风暴之前,在空中和顺风的暴风雨,你必须使你自己的结论之间发生了什么,”她说。”我想里面的化学成分,风暴,一场竞选风暴渗透飞机。”

詹姆斯·米切尔乌鸦是一个基于科学作家在墨尔本,澳大利亚