Los rayos y las descargas invisibles producen partículas que limpian la atmósfera.


Las partículas de nitrógeno, oxígeno y vapor de agua se descomponen por los rayos y las descargas eléctricas más débiles asociadas, lo que resulta en la generación de gases reactivos NO, O3, HO2 y un limpiador de atmósfera OH.

Foto: Jenna Jenkins

Los rayos descomponen las moléculas de nitrógeno y oxígeno en la atmósfera y producen sustancias químicas reactivas que afectan los gases de efecto invernadero. Ahora, un equipo de químicos atmosféricos y científicos de rayos ha descubierto que los rayos y, sorprendentemente, las descargas invisibles que no se pueden ver con cámaras o a simple vista producen grandes cantidades de radical hidroxil-OH e hidroperoxil-HO.2.

El radical hidroxilo es importante en la atmósfera porque inicia reacciones químicas y descompone moléculas como el metano, el gas de efecto invernadero. OH es el principal impulsor de muchos cambios de composición en la atmósfera.

“Al principio, miramos a estos dos gigantes OH y HO2 Las señales se encuentran en las nubes y pregunté: ¿Qué le pasa a nuestra máquina? «Asumimos que había ruido en el instrumento, por lo que eliminamos las señales voluminosas del conjunto de datos y las guardamos en el estante para un estudio posterior», dijo William H. Braun, profesor de meteorología en Penn State.

Los datos de un instrumento a bordo de un avión sobre Colorado y Oklahoma en 2012 estaban analizando los cambios químicos que tienen las tormentas eléctricas y los rayos en la atmósfera.

Pero hace unos años, Brun sacó los datos del estante y vio que las señales eran realmente hidroxilo e hidroperoxilado, y luego trabajó con un estudiante graduado y un socio de investigación para ver si esas señales podían ser producidas por chispas y descargas invisibles en el laboratorio. . Luego, volvieron a analizar el conjunto de datos de tormentas eléctricas y tormentas eléctricas.

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«Con la ayuda de un excelente pasante universitario, hemos podido correlacionar las señales masivas que nuestros dispositivos ven volando a través de las nubes de tormentas eléctricas con las mediciones de rayos tomadas desde el suelo», dijo Brown.

Los investigadores anunciaron sus resultados en línea hoy (29 de abril) en Science First Release y Journal of Geophysical Research – Atmospheres.

Brun señala que los aviones evitan volar a través de los núcleos de tormentas eléctricas en rápido aumento porque son peligrosos, pero pueden tomar muestras del yunque, la parte superior de la nube que se extiende hacia afuera en la dirección de barlovento. Un rayo visible ocurre en una parte del yunque cerca del corazón de la tormenta.

«A lo largo de la historia, la gente solo estaba interesada en los rayos debido a lo que podían hacer en la Tierra», dijo Brown. «Ahora hay un interés creciente en las descargas eléctricas débiles en las tormentas eléctricas que provocan la caída de rayos».

La mayoría de los rayos nunca caen sobre la Tierra, y los rayos que permanecen en las nubes son especialmente importantes para influir en el ozono, un importante gas de efecto invernadero, en la atmósfera superior. Se sabía que los rayos podían dividir el agua para formar hidroxilo e hidroperoxilo, pero este proceso no se había observado anteriormente en tormentas eléctricas.

Lo que confundió al equipo de Brun al principio fue que sus dispositivos registraron altos niveles de hidroxilo e hidroperoxilato en áreas de la nube donde no se veía ningún rayo desde el avión o el suelo. Los experimentos en el laboratorio han demostrado que una corriente eléctrica débil, mucho menos energética que un rayo visible, puede producir estos mismos componentes.

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Si bien los investigadores encontraron hidroxilo e hidroperoxilo en áreas con rayos invisibles, encontraron poca evidencia de ozono y ninguna evidencia de óxido nítrico, que requirió la formación de rayos visibles. Si los rayos invisibles ocurren de manera rutinaria, los hidroxilos e hidroperoxilos que crean estos eventos eléctricos deben incluirse en los modelos atmosféricos. Actualmente, no lo son.

Según los investigadores, «El OH (hidroxilo) generado por los rayos en todas las tormentas que ocurren a nivel mundial podría ser responsable de un alto pero significativo 2% a 16% de la oxidación de hidroxilo en la atmósfera global».

«Estos resultados son muy inciertos, en parte porque no sabemos cómo se aplican estas medidas al resto del mundo», dijo Brun. «Acabamos de volar sobre Colorado y Oklahoma. La mayoría de las tormentas eléctricas ocurren en los trópicos. La estructura completa de las tormentas de las llanuras altas difiere de las de los trópicos. Obviamente, necesitamos más mediciones de aviones para reducir esta incertidumbre».

Otros investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania incluyen a Patrick J. MacFarland, estudiante universitario; David O. Y Gina M. Jenkins, candidato a doctorado, se dedica a la meteorología y la atmósfera.

Eric Browning, profesor asociado de ciencias atmosféricas, Texas Tech University también trabajó en el proyecto. Sean Wu, meteorólogo, y Donald McGorman, científico investigador jefe, ambos en el Laboratorio Nacional de Tormentas Severas de la NOAA; Xinrong Ren, físico, Laboratorio de Recursos del Aire de la NOAA; Jingqiu Mao, profesor asociado de química atmosférica, Universidad de Alaska; Y Jeff Pichl, asistente de investigación profesional, Instituto Colaborativo de Investigación en Ciencias Ambientales, Universidad de Colorado, Boulder.

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La Fundación Nacional de Ciencias, la NASA y la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica apoyaron este trabajo.

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