「大気を浄化する分子」を生成する稲妻と可視光線放電

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「大気を浄化する分子」を生成する稲妻と可視光線放電

稲妻や、目に見えない放電が、極めて大量のヒドロキシルラジカル(OH)とヒドロペルオキシルラジカル(HO2)を生成することがわかりました。

The data was from an instrument on a plane flown above Colorado and Oklahoma in 2012 looking at the chemical changes that thunderstorms and lightning make to the atmosphere.

参照元:https://news.psu.edu/story/656979/2021/04/29/research/lightning-and-subvisible-discharges-produce-molecules-clean
– ペンシルバニア州立大学 Penn State. April 29, 2021 –

落雷は、大気中の窒素と酸素の分子を分解し、温室効果ガスに影響を与える反応性の化学物質を作り出します。

今回、大気化学者と雷科学者のチームは、稲妻や、驚くべきことに、カメラや肉眼では見ることができない目に見えない放電が、極めて大量のヒドロキシルラジカル(OH)とヒドロペルオキシルラジカル(HO2)を生成することを発見しました。

水酸化ラジカルは、化学反応を起こし、温室効果ガスであるメタンなどの分子を分解するため、大気中で重要な役割を果たしています。

OHは、大気中の多くの組成変化の主な原因となっています。

ペンシルベニア州立大学の気象学特別教授であるWilliam H. Brune氏は話します。

「当初、私たちは雲に見られる巨大なOHとHO2の信号を見て、この観測装置に何か問題があるのではないかと考えました。機器にノイズがあるのではないかと考え、データセットから巨大な信号を取り除き、後の研究のために棚上げしたのです。」

このデータは、2012年にコロラド州とオクラホマ州の上空を飛行した飛行機に搭載されていた、雷や稲妻が大気に与える化学的変化を調べる装置のものでした。

しかし数年前、Bruneはデータを棚から取り出し、その信号が実際にヒドロキシルとヒドロペルオキシルであることを確認しました。

そして、大学院生と研究員と協力して、これらの信号が実験室でのスパークや目に見えない放電によって生成されるかどうかを調べました。

そして、雷雨と雷のデータセットの再解析を行いました。

Brune氏は話します。

「優秀な学部生インターンの助けを借りて、雷雲の中を飛んでいる観測機器で見られた巨大な信号を、地上で行われた雷の測定結果と結びつけることができました。」

この研究成果は、2021年4月29日、Science First ReleaseおよびJournal of Geophysical Research — Atmospheresにオンライン掲載されました。

Brune氏によると、飛行機は、急速に上昇する雷雲のコア部分を飛行するのは危険なので避けますが、風の方向に向かって外側に広がる雲の上部分であるアンビルをサンプリングすることは可能です。

目に見える雷は、雷核に近いアンビルの部分で発生します。

Brune氏は話します。

「歴史上、人々が稲妻に興味を持ったのは、それが地上で何をするかということだけでした。今では、稲妻につながる雷雨の弱い放電に関心が集まっています。」

ほとんどの雷は地上に落ちることはありませんが、雲の中にとどまる雷は、大気上層部の重要な温室効果ガスであるオゾンに影響を与えるために特に重要です。

雷が水を分解してヒドロキシルとヒドロペルオキシルを生成することは知られていましたが、このプロセスはこれまで雷雨では観測されていませんでした。

Brune氏のチームが最初に困惑したのは、航空機や地上から稲妻が見えない雲の領域で、測定器が高レベルのヒドロキシルとヒドロペルオキシルを記録したことでした。

研究室での実験では、目に見える稲妻よりもはるかにエネルギーの低い微弱な電流でも、同じ成分が生成されることがわかった。

研究者たちは、目に見えない雷が発生した地域でヒドロキシルとヒドロペルオキシルを発見しましたが、オゾンの証拠はほとんどなく、目に見える雷がなければ生成できない一酸化窒素の証拠もありませんでした。

もし目に見えない雷が日常的に発生しているのであれば、これらの電気的事象が作り出すヒドロキシルとヒドロペルオキシルを大気モデルに含める必要があります。

現在のところ、これらは含まれていません。

研究者らによると、世界中で発生しているすべての嵐の中で雷が発生させたOH(ヒドロキシル)は、非常に不確実ではあるが、全世界の大気中のOH酸化の2%から16%に相当する原因となりうるそうです。

Brune氏は話します。

「これらの結果は非常に不確かなものですが、その理由のひとつは、この測定値が地球上の他の地域にどのように適用されるのかがわからないからです。私たちは、コロラド州とオクラホマ州の上空を飛行しただけです。ほとんどの雷雨は熱帯地域にあります。平野部の嵐の構造は、熱帯地方のものとは異なります。この不確実性を低減するためには、より多くの航空機による測定が必要であることは明らかです。」

ペンシルベニア州立大学の他の研究者には、パトリック・J・マクファーランド(学部生)、デビッド・O・ミラー(博士号取得者)、ジェナ・M・ジェンキンス(博士号取得者)がおり、いずれも気象学と大気科学を専攻しています。

また、テキサス工科大学大気科学准教授のエリック・ブルーニング、NOAA国立シビアストーム研究所研究気象学者のショーン・ウォー、上級研究科学者のドナルド・マクゴーマン、NOAA大気資源研究所物理学者のレン・シンロン、アラスカ大学大気化学助教授のマオ・ジンキュ、コロラド大学ボルダー校環境科学共同研究所上級専門研究員のジェフ・パイシュルもこのプロジェクトに参加しました。

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