I fulmini sono la fonte di ossidanti estremi per la depurazione dell’atmosfera

Postato da Julie Celestial il 1 maggio 2021 alle 11:30 UTC

Le osservazioni dell’aereo DC-8 della NASA, a caccia delle tempeste, rivelano che i fulmini possono produrre concentrazioni estremamente elevate di due principali ossidanti che aiutano a ripulire l’aria e l’atmosfera.
A maggio e giugno 2012, il jet DC-8 ha sorvolato l’Oklahoma e il Colorado sopra l’occhio dei temporali per comprendere la capacità dei fulmini di pulire l’atmosfera terrestre. Le misurazioni eseguite sono le prime sui temporali, ha detto a Inverse il ricercatore William H. Brune.

Il getto ha misurato due ossidanti nelle nuvole temporalesche: uno era il radicale idrossile (OH) e l’altro era il radicale idroperossile (HO2). Gli scienziati si riferiscono a questo processo ossidante diretto utilizzando la formula LHOx. La concentrazione combinata di entrambi gli ossidanti generati dai fulmini ha raggiunto fino a migliaia di parti per trilione in alcune nuvole.

“Non ci aspettavamo di vedere niente di tutto questo. Abbiamo accantonato i dati perché erano così estremi.
Se LHOx è un’importante fonte di OH globale, è logico che l’OH prodotto con il noto metodo – una combinazione di ozono, vapore acqueo e radiazione solare UV – debba essere inferiore a quanto attualmente ipotizzato”.

W.H. Brune scienziato atmosferico alla Penn State University

L’ossidazione che si verifica all’interno delle nuvole elettrificate può alla fine produrre fino al 12% di tutto l’idrossido trovato in tutto il mondo, una scoperta che ha scioccato i ricercatori.

“Siamo sorpresi dalle quantità estreme di OH e HO2 generate nelle incudini e nei nuclei dei temporali. Sono ordini di grandezza più grandi di qualsiasi precedente misurazione HO2 o OH atmosferica”.

W.H. Brune

Studi precedenti si sono concentrati principalmente sull’effetto indiretto dei fulmini sull’atmosfera attraverso la produzione di ossido nitrico (NO), che genera OH e ozono a effetto serra. Il processo indiretto è vitale per la capacità dell’atmosfera di pulirsi.

“LHOx è stato ben studiato nelle misurazioni atmosferiche e negli studi di laboratorio per più di 40 anni. Prima dello studio, si sapeva molto meno di LHOx. Ci sono stati solo pochi modelli e studi di laboratorio per OH e HO2 generati da scariche elettriche”.

“Avremo bisogno di più di questo tipo di ricerca interdisciplinare per comprendere meglio LHOx e la sua potenziale importanza per i processi di ossidazione atmosferica”.

“Quindi, comprendere l’OH globale e la sua sensibilità al cambiamento climatico è un grosso problema”.

W.H. Brune

Riferimento

“Quantità di ossidanti estreme prodotte dai fulmini nelle nuvole temporalesche” – Brune, W. H., et al. – Scienza – DOI: 10.1126/science.abg0492


Astratto

I fulmini aumentano la capacità dell’atmosfera di purificarsi producendo ossido nitrico (NO), che porta alla chimica atmosferica che forma l’ozono (O3) e l’ossidante primario dell’atmosfera, il radicale idrossile (OH). La nostra analisi di uno studio aereo del 2012 sulla convezione profonda e la chimica dimostra che il fulmine genera anche direttamente gli ossidanti OH e il radicale idroperossilico (HO2). Sono state scoperte quantità estreme di OH e HO2 e sono state collegate a lampi visibili che si verificano davanti all’aereo e a scariche subvisibili nelle regioni di incudine elettrificate. Questi OH e HO2 potenziati sono ordini di grandezza superiori a qualsiasi precedente osservazione atmosferica. L’OH generato dai fulmini in tutte le tempeste che avvengono contemporaneamente a livello globale può essere responsabile di un 2-16% altamente incerto ma sostanziale dell’ossidazione dell’OH atmosferica globale.

Tags: atmosphere, lightning research, research



Le molecole di azoto, ossigeno e vapore acqueo vengono separate dai fulmini e dalle scariche elettriche più deboli associate,
generando i gas reattivi NO, O3, HO2 e il detergente dell’atmosfera, OH. Credito: Jena Jenkins, Penn State

I fulmini rompono le molecole di azoto e ossigeno nell’atmosfera e creano sostanze chimiche reattive che agiscono sui gas serra. Ora, un team di chimici atmosferici e scienziati sui fulmini ha scoperto che i fulmini e, sorprendentemente, le scariche subvisibili che non possono essere viste dalle telecamere o dall’occhio nudo producono quantità estreme del radicale idrossile – OH – e del radicale idroperossilico – HO2.

Il radicale idrossile è importante nell’atmosfera perché avvia reazioni chimiche e scompone molecole come il gas a effetto serra metano.

L’OH è il motore principale di molti cambiamenti di composizione nell’atmosfera.

“Inizialmente, abbiamo esaminato questi enormi segnali OH e HO2 trovati nelle nuvole e abbiamo chiesto, cosa c’è che non va nel nostro strumento?” ha detto William H. Brune, illustre professore di meteorologia alla Penn State. “Abbiamo pensato che ci fosse rumore nello strumento, quindi abbiamo rimosso i segnali enormi dal set di dati e li abbiamo accantonati per studi successivi”.
I dati provenivano da uno strumento su un aereo volato sopra il Colorado e l’Oklahoma nel 2012 osservando i cambiamenti chimici che i temporali e i fulmini apportano all’atmosfera.
Ma alcuni anni fa, Brune ha preso i dati dallo scaffale, ha visto che i segnali erano davvero idrossile e idroperossile, e poi ha lavorato con uno studente laureato e ricercatore associato per vedere se questi segnali potevano essere prodotti da scintille e scariche sub-visibili in laboratorio. Quindi hanno eseguito una nuova analisi del set di dati dei temporali e dei fulmini.

“Con l’aiuto di un ottimo stagista universitario”, ha detto Brune, “siamo stati in grado di collegare gli enormi segnali visti dal nostro strumento che volano attraverso le nuvole temporalesche alle misurazioni dei fulmini effettuate da terra”.

I ricercatori riportano i loro risultati online il 29 aprile su Science First Release e sul Journal of Geophysical Research Atmospheres.

Brune nota che gli aeroplani evitano di volare attraverso i nuclei dei temporali in rapida ascesa perché è pericoloso, ma possono campionare l’incudine, la parte superiore della nuvola che si diffonde verso l’esterno in direzione del vento. I fulmini visibili si verificano nella parte dell’incudine vicino al nucleo del temporale.

“Nel corso della storia, le persone erano interessate solo ai fulmini a causa di ciò che potevano fare a terra”, ha detto Brune. “Ora c’è un interesse crescente per le scariche elettriche più deboli nei temporali che portano a fulmini”.

La maggior parte dei fulmini non colpisce mai il suolo e il fulmine che rimane tra le nuvole è particolarmente importante per influire sull’ozono, e importante gas serra, nell’atmosfera superiore. Era noto che i fulmini possono scindere l’acqua per formare idrossile e idroperossile, ma questo processo non era mai stato osservato prima nei temporali.
Ciò che inizialmente ha confuso il team di Brune è stato che il loro strumento ha registrato alti livelli di idrossile e idroperossile nelle aree della nuvola dove non c’erano fulmini visibili dall’aereo o dal suolo.
Esperimenti in laboratorio hanno dimostrato che una corrente elettrica debole, molto meno energetica di quella dei fulmini visibili, potrebbe produrre questi stessi componenti.
Mentre i ricercatori hanno trovato idrossile e idroperossile in aree con fulmini subvisibili, hanno trovato poche prove di ozono e nessuna prova di ossido nitrico, che richiede la formazione di fulmini visibili.
Se i fulmini subvisibili si verificano di routine, allora l’idrossile e l’idroperossile che questi eventi elettrici creano devono essere inclusi nei modelli atmosferici.

Attualmente non lo sono.

Secondo i ricercatori, “l’OH (idrossile) generato dai fulmini in tutte le tempeste che avvengono a livello globale può essere responsabile di un’ossidazione dell’OH atmosferica altamente incerta ma sostanziale dal 2% al 16%.
“Questi risultati sono molto incerti, in parte perché non sappiamo come queste misurazioni si applichino al resto del globo”, ha detto Brune. “Abbiamo sorvolato solo il Colorado e l’Oklahoma. La maggior parte dei temporali sono ai tropici. L’intera struttura delle tempeste delle alte pianure è diversa da quelle dei tropici. Chiaramente abbiamo bisogno di più misurazioni degli aerei per ridurre questa incertezza”.

Maggiori informazioni: W.H. Brune el al., “Quantità di ossidanti estreme prodotte dai fulmini nelle nuvole temporalesche”, Science (2021).

FONTE: TheWatchers

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