04.05.2021 - The Pennsylvania State University

Blitze und unsichtbare Entladungen produzieren Moleküle, die die Atmosphäre reinigen

Blitze spalten Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle in der Atmosphäre auf und erzeugen reaktive Chemikalien, die Treibhausgase beeinflussen. Jetzt hat ein Team von Atmosphärenchemikern und Blitzforschern herausgefunden, dass Blitze und überraschenderweise auch unsichtbare Entladungen, die weder mit Kameras noch mit bloßem Auge zu erkennen sind, extreme Mengen des Hydroxylradikals - OH - und des Hydroperoxylradikals - HO2 - produzieren.

Das Hydroxylradikal ist in der Atmosphäre wichtig, weil es chemische Reaktionen auslöst und Moleküle wie das Treibhausgas Methan aufspaltet. OH ist der Haupttreiber für viele Veränderungen der Zusammensetzung in der Atmosphäre.

"Anfangs sahen wir uns diese riesigen OH- und HO2-Signale in den Wolken an und fragten uns, was mit unserem Instrument nicht stimmt", sagt William H. Brune, angesehener Professor für Meteorologie an der Penn State. "Wir nahmen an, dass es ein Rauschen im Instrument gab, also entfernten wir die riesigen Signale aus dem Datensatz und legten sie für spätere Untersuchungen zurück."

Die Daten stammten von einem Instrument an Bord eines Flugzeugs, das 2012 über Colorado und Oklahoma geflogen war, um die chemischen Veränderungen zu untersuchen, die Gewitter und Blitze in der Atmosphäre verursachen.

Aber vor ein paar Jahren nahm Brune die Daten aus dem Regal, sah, dass es sich bei den Signalen tatsächlich um Hydroxyl und Hydroperoxyl handelte, und arbeitete dann mit einem Doktoranden und einem wissenschaftlichen Mitarbeiter daran, herauszufinden, ob diese Signale durch Funken und unsichtbare Entladungen im Labor erzeugt werden könnten. Dann führten sie eine Reanalyse des Gewitter- und Blitzdatensatzes durch.

"Mit Hilfe eines großartigen Praktikanten", so Brune, "konnten wir die riesigen Signale, die unser Instrument beim Flug durch die Gewitterwolken sah, mit den Blitzmessungen vom Boden aus verknüpfen."

Die Forscher berichteten ihre Ergebnisse online in Science First Release und dem Journal of Geophysical Research -- Atmospheres.

Brune merkt an, dass Flugzeuge es vermeiden, durch die schnell aufsteigenden Kerne von Gewittern zu fliegen, weil es gefährlich ist, aber sie können den Amboss abtasten, den oberen Teil der Wolke, der sich in Richtung des Windes nach außen ausbreitet. Sichtbare Blitze entstehen in dem Teil des Ambosses, der sich in der Nähe des Gewitterkerns befindet.

"In der Geschichte waren die Menschen nur an Blitzen interessiert, weil sie am Boden etwas anrichten konnten", sagt Brune. "Jetzt gibt es ein zunehmendes Interesse an den schwächeren elektrischen Entladungen in Gewittern, die zu Blitzen führen."

Die meisten Blitze schlagen nie in den Boden ein, und die Blitze, die in den Wolken bleiben, sind besonders wichtig für die Beeinflussung des Ozons, eines wichtigen Treibhausgases, in der oberen Atmosphäre. Es war bekannt, dass Blitze Wasser aufspalten können, um Hydroxyl und Hydroperoxyl zu bilden, aber dieser Prozess war noch nie in Gewittern beobachtet worden.

Was Brunes Team zunächst verwirrte, war, dass ihr Instrument hohe Werte von Hydroxyl und Hydroperoxyl in Bereichen der Wolke aufzeichnete, in denen kein Blitz vom Flugzeug oder vom Boden aus sichtbar war. Experimente im Labor zeigten, dass schwacher elektrischer Strom, der viel weniger energiereich ist als der eines sichtbaren Blitzes, dieselben Komponenten erzeugen kann.

Während die Forscher Hydroxyl und Hydroperoxyl in Gebieten mit unsichtbaren Blitzen fanden, fanden sie wenig Hinweise auf Ozon und keine Hinweise auf Stickoxid, das sichtbare Blitze zur Bildung benötigt. Wenn subvisible Blitze routinemäßig auftreten, dann müssen das Hydroxyl und Hydroperoxyl, das diese elektrischen Ereignisse erzeugen, in atmosphärische Modelle einbezogen werden. Derzeit sind sie das nicht.

Laut den Forschern "kann durch Blitze erzeugtes OH (Hydroxyl) in allen weltweit auftretenden Stürmen für höchst unsichere, aber erhebliche 2 % bis 16 % der globalen atmosphärischen OH-Oxidation verantwortlich sein."

"Diese Ergebnisse sind höchst unsicher, zum Teil weil wir nicht wissen, wie diese Messungen auf den Rest des Globus zutreffen", sagte Brune. "Wir sind nur über Colorado und Oklahoma geflogen. Die meisten Gewitter befinden sich in den Tropen. Die ganze Struktur der Hochlandstürme ist anders als die in den Tropen. Es ist klar, dass wir mehr Flugzeugmessungen brauchen, um diese Unsicherheit zu reduzieren."

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