试图理解威力巨大但寿命很短的闪电周围发生的化学反应本身就是一项壮举。詹姆斯·米切尔·克罗寻找灵感的闪现

好莱坞可能还没有选择他们的故事,但美国宇航局DC-8地球科学实验室飞机的飞行员毫无疑问拥有正确的东西。在2012年初夏飞越美国中部大平原的一次实地行动中,DC-8的飞行员在空中刻意拦截雷暴。风暴越大越好。

每次飞行都载着珍贵的化学家和他们的分析仪器。深对流云和化学运动是美国的一个主要合作项目,研究大雷暴对大气化学的影响。通过比较进入雷暴的空气分子组成和出来的空气分子组成,研究小组旨在了解强大的对流和闪电对大气化学成分的影响。这项研究预计将与从城市空气污染到温室气体产生等主题相关。

宾夕法尼亚州立大学(Penn State University)大气化学家威廉•布伦(William Brune)回忆说,飞行员太棒了。布伦是这次行动的科学带头人之一,在许多次飞行中,他都坐在驾驶舱跳座上,决定追逐哪一场风暴。飞行员监视雷达,绕过风暴的核心,盘旋进入云砧。布伦说:“他们不让你靠得太近,但我们要尽可能地靠近,以最大限度地观察风暴的动向。”“在这些风暴周围飞行,进入云砧,真是太壮观了。”

美国国家航空航天局(NASA)飞机

来源:©NASA Photo/Tony Landis

飞行实验室经过大量改装,使用仪器对风暴云中及其周围的大气进行采样

同样引人注目的是该团队收集的数据。在几次飞行中,研究小组在雷暴周围发现了令人困惑的羟基浓度峰值,比以往任何对活性自由基的大气测量都要高几个数量级。作为地球大气的主要氧化剂,是空气净化能力的关键,这一发现可能既重要又令人困惑。

在野外活动的最后一次飞行十年后,布伦和他的同事们羟基刺突的最新研究这表明闪电对大气化学成分的影响远比之前想象的要深远。

没有限制

一道闪电可以照亮天空。每个闪电只有2 - 3厘米厚,但它携带的能量巨大,可以将周围的空气加热到3万摄氏度,比太阳表面的温度高得多。

但在对流层上层,臭氧是一种温室气体,它来自雷暴

在闪电与地面相遇的地方,直接击中的力量很容易就足以吹倒成熟的树木,并创造出与日常生活完全不同的环境(见下面的方框P)。每一颗闪电在空中的破坏力都是一样的,它的长度一般为5公里。闪电附近的任何分子都会被撕裂成组成它的原子。这些分子大多是氮(N2)和分子氧(O2),这是空气的两个主要成分。随着这些原子冷却和重组,它们可以找到新的伙伴。

布伦说:“我们看到的3万摄氏度的闪电非常明显,那里发生了非常独特的化学反应。”“人们在无数次任务中知道并采取了措施的主要气体是一氧化氮,NO。“温度对闪电产生NO至关重要,而不仅仅是在加热阶段。“它需要空气以极快的速度冷却,远低于一毫秒,所以它本质上冻结了NO,否则氮就会变回N。2氧回到O2布伦说。

飞机在雷雨旁边飞行

来源:©William Henry

从飞机内部聚集的风暴

在罢工之后,NO可以与其他氧和氮原子和分子发生一系列反应。导致的两个关键物种是二氧化氮和臭氧。每一次单独的雷击在全球大气构成中可能是一个小事件,但随着地球每天经历300多万次雷击,它们的影响真的会累积起来。

雷暴对臭氧产生和分布的影响是位于科罗拉多州博尔德的美国国家大气研究中心的大气化学家玛丽·巴特的研究重点。“在地面,臭氧是一种污染物;它会导致健康问题,”巴斯说。她说:“但在对流层上层,臭氧是一种温室气体,它来自雷暴。”

雷暴可以以多种方式影响臭氧水平。例如,甲醛是空气污染的常见成分,是一种臭氧前体,可以被雷暴的强大对流吸引而上升,巴斯说。她补充说:“但甲醛会有一部分溶解在云滴中,因此其中一部分会被雨水排出,而不是被输送到高空,这就改变了化学平衡。”

为了掌握臭氧作为对流层上层温室气体的作用,一个关键目标是量化闪电驱动的一种主要前体——闪电衍生的二氧化氮(NO2).当这种分子在阳光的作用下分解成NO时,它会释放出一个氧原子,这个氧原子可以与二氧结合,形成臭氧。

Barth说:“几十年来,人们一直在研究闪电产生氮氧化物的方式、形成频率以及每次闪电能形成多少。”然而没有x闪电生产仍然高度不确定,与报告范围为32-664mol NOx每闪.巴斯说,对我来说,这仍然是一个相当年轻的领域,我认为我们可以做得更好。

美国国家航空航天局(NASA)飞机

来源:©NASA Photo/Lori Losy

该团队对NO特别感兴趣x羟基自由基的形成

加强NO测量x雷击生产是2012年深对流云和化学领域战役的主要目标。巴斯说:“我们早上起来,与天气预报员交谈,他们会告诉我们不同地区发生风暴的概率。”团队会飞到一个可能的地点,采集空气样本,希望会有风暴发生。然后砰的一声,暴风雨就来了。“俄克拉荷马州有这些惊人的大风暴,发展得如此之快,”巴斯说。

她说:“当我们发现一颗卫星时,人们会兴奋地看到数据被收集到电脑上的观察结果。”在一次飞行中,飞机遭遇了一次小雷击,不过用一段管道胶带盖住了造成的小拇指大小的洞,什么都没有解决。

球队的NOx测量结果在142-291mol NO的中间范围内缩小x/ flash。预测特定风暴的NOx输出,以及在大气过程的计算机模型中准确地捕捉这一过程,仍然很棘手。“有时我觉得每一场风暴都是独立的,但我们获得了一些更好的线索,”巴斯说。只考虑“不”x每次闪光的产量可能会错过一些关键参数。她说:“我们认为氮氧化物的含量与闪光的长度有关。”“我们了解到,闪电时间越短,闪电的频率就越高。”

P自由

闪电不仅能影响大气的化学成分。雷击在接触地面的地方也会改变地球的化学成分——也许这对生命的出现至关重要。

本杰明·赫斯(Benjamin Hess)还是伊利诺伊州惠顿学院(Wheaton College)的一名本科生时,邻居家的一户人家在自家草坪被闪电击中后联系了地质系。罢工产生了一种玻璃状的材料,叫做电闪石,一旦从草坪上挖掘出来,赫斯就把它作为一个研究项目。他说:“我把它切开,我真的不知道会发现什么。”

当你把闪电引入画面时,它会让磷这样的物质与铁这样的物质结合

通过拉曼光谱和扫描电子显微镜研究样本,赫斯发现闪电石中含有一种叫做石闪石的矿物,这是一种高度还原的磷与铁结合的形式。地球中的磷通常以磷酸盐的形式存在于不溶性矿物中,而石斛则是一种水溶性的磷源,可用于进一步的化学反应。

根据研究小组的计算通过形成含磷生物分子,包括DNA、RNA、磷脂和ATP,早期地球上闪电产生的还原磷可能对生命的出现至关重要。

从20世纪50年代斯坦利·米勒和哈罗德·尤里的著名研究来看,闪电经常被认为是在原始地球上形成具有重要生物意义的化合物的潜在火花。赫斯说:“早期的地球环境,以及地球上的岩石,都含有大量的氧气,所以像磷这样的重要元素都与氧气结合在一起。”“但当你把闪电引入画面,瞬间将物质加热到数千度,就会破坏所有的化学键,让磷等物质与铁等物质结合,然后突然之间,它就可以自由反应,生成其他分子。”

由于石闪石是某些类型陨石的常见成分,因此还原活性磷的外星起源被认为是原始地球上该元素的潜在来源。赫斯的研究结果表明,光照可能是一个同样重要的来源,特别是随着太阳系成熟,陨石撞击减少。

鬼罢工

一场强烈的夏季雷雨可能是一种宣泄。一旦闪电秀结束,雨停了,世界似乎就焕然一新,空气也焕然一新。闪电引起的NO浓度激增引发了一系列反应,不仅增加了空气中的臭氧供应,还增加了大气中主要的清洁氧化剂——羟基自由基。

20世纪70年代,人们首次发现羟基对大气中许多化合物(包括自然和人为化合物)的寿命具有强大的影响。布伦回忆说:“有一段时间,测量羟基确实是头等大事。”“大气中羟基的含量相当于千万亿分之几十,所以很难测量,很多东西都会干扰你的测量。”

在很多环境中,我们都能很好地理解羟基的作用

最终,研究人员开发了两种方法来准确测定空气中的羟基水平。一种是基于质谱的方法,将羟基与同位素标记的SO反应2,产生同位素标记的硫酸,可以电离和检测。布伦说:“这很奇怪,但很有效。”布伦使用了另一种方法,基于羟基对特定波长紫外光的特征吸收。“我们通过一个小针孔引入空气,然后用调谐到其中一个吸收孔的激光击中它。“诀窍在于时机。布伦说:“空气分子散射的光会比我们看到的荧光高出100万倍,所以我们使用了一种可以快速打开和关闭的探测器。”“我们关闭激光,等待100纳秒,然后打开它来收集最后一部分羟基荧光。”

布伦说,如今我们对大气中的羟基来源有了相当好的了解。“我在16个飞机实地任务中研究了大气中的羟基,可能有24个基于塔的任务,在城市、森林、沙漠地区和农村地区。在许多环境中,我们很好地了解了羟基的作用。”

基于这一认识,有一个地方是不可能出现羟基的,那就是雷击的中心,在那里,自由基无法在极端高温下存活。“任何OH都会在微秒内被消耗掉,所以它不会出去做任何事情。”它消失得太快了,我们不可能发现它,”布伦解释道。

我们在云中看到了这些巨大的OH信号,我们不知道它们是什么意思

只有间接的羟基生成,由闪电产生的NO引起的级联反应,是预期的。然而,DC-8上用于深对流云和化学领域活动的激光诱导荧光仪器不断探测到羟基浓度的巨大峰值,比以往任何大气中羟基的观测都要大几个数量级。

布伦说:“每次飞行结束后,我都会在飞机后部和使用仪器的同事交谈。”“他们会说,‘我们在云中看到了这些巨大的OH信号,我们不知道它们是什么意思。“‘At the time, the team focused on the main measurement tasks of the mission, with the odd hydroxyl results to be looked into at a later date. Brune finally found the time to revisit the data one summer. ‘But we never did look at them again – until a few years ago, just for a whim in the summer. I used some new analysis techniques we have developed, looked and the signal and said “These are real!”’

利用来自美国闪电测绘阵列的数据,一些羟基尖峰事件的时间可以明显地与雷击有关。飞机上的前置摄像头拍摄到闪电后,一些尖刺也立即出现。但大约三分之一的羟基检测事件与闪光无关。

我们看到OH在可见的火花周围形成,在不热的可见放电中

为了理解现场观测的意义,是时候在实验室里制造一些人造闪电了。布伦说:“我们发现,用火花之类的东西可以制造出大量的OH。”最关键的是,当照明设备被调到很低的温度,以至于没有可见的火花产生时,检测到大量的羟基。

“我们的结论是,我们看到氢氧根在可见火花周围形成,在不热的可见放电中。”在这个热通道之外,这些放电中有足够的能量来分解水分子,这就是我们所看到的羟基,”布伦说。“你可以想象,当你在云端时,有各种电荷分离和小放电在这里和那里流动。其中一定有很多会产生OH

根据研究小组的测量,可见闪电可以产生高达16%的全球大气羟基。西班牙Andalucía天体物理研究所的Francisco Gordillo-Vázquez说,这是一个非常有趣的观测结果。他补充说:“我们正在我的实验室里进行实验工作,以重现这些结果。”“到目前为止,这些氧化剂只被认为是由于NO注入而间接产生的。”现在视角变了,因为它们是直接产生的。”

把精灵带走

可见击只是最近在雷暴中和周围发现的大气电物种之一,影响着大气的化学成分。我们所看到的从雷雨云中向地面射出的闪电只是故事的一半。直到1989年,研究人员才发现,在云层之上,精灵、精灵和其他奇异的电子物种可以在雷顶上跳舞。

在20世纪20年代,苏格兰诺贝尔奖得主查尔斯·威尔逊曾推测,在空气密度较低的高空,局部空气的电场击穿更容易,被称为“精灵”的发光放电可能会发生。1989年,在美国中西部的一次大雷暴中,两个精灵被偶然记录了下来。

随后的研究表明,精灵可以到达超过90公里的电离层底部。Gordillo-Vázquez说:“我们可以把高层大气排放看作是连接对流层和电离层的全球电路中丢失的一块。”

在实验室里,冷的日冕放电产生臭氧和氮2O

高层大气瞬态发光事件(TLEs)能解释另一个神秘的大气化学观测结果吗?Gordillo-Vázquez网站说:“从上世纪60年代末开始,不时有报告称,在雷暴天气临近时,臭氧含量突然增加。”据报道,这种气体的观测结果与已知的臭氧通过闪电产生的NO化学物质间接产生的结果不一致。“有人猜测,臭氧的增加可能是由闪电本身造成的。”

常规闪电不会直接产生大量臭氧,但这些高臭氧浓度的口袋会是TLEs的直接结果吗?与闪电不同,闪电是一种非常热的放电,TLE强大电场中的能量是冷的。Gordillo-Vázquez网站称:“这是了解他们‘化学性格’的关键。”在实验室中,冷的日冕放电直接产生大量的臭氧和另一种温室气体N2后者被认为是仅次于CO的第三大温室气体2和甲烷。

随着能够从上方监控它们,掌握TLEs变得相当容易。Gordillo-Vázquez网站称:“我们参与了一项名为大气空间相互作用监测仪(ASIM)的太空任务,该仪器于2018年4月安装在国际空间站上。”ASIM已被证明是一个强大的工具探测雷雨云内的电晕放电.“ASIM第一次让我们了解了雷雨云中出现的日冕的本质,并绘制了它们的分布和频率。”

ASIM没有装备来测量通过电晕放电产生的化学物质,但考虑到ASIM检测到的这些电事件的广泛分布,如果它们的化学性质像实验室中产生的电晕一样,它们可能是温室气体的重要自然来源。“这对大气中这些气体的化学收支有多重要?”这一点还有待研究,”Gordillo-Vázquez说。即将发射的新一代空气质量监测卫星,将很快进入美国、欧洲和亚洲上空的地球静止轨道,可能会提供完整图景所需的缺失的数据拼图。

更多的数据也将帮助布伦坚定他对可见闪电产生羟基的全球意义的估计。他说:“我们飞越了七个风暴砧,这就是我们拥有的所有数据。”他说:“要做到这一点,你必须在飞机上重复这一过程,因为飞机上有更多的仪器来测量电场、电荷和电荷分离。”更大范围的雷暴,包括大多数闪电发生的热带风暴,将需要采样。“这是可能的,但这项任务必须排在队列中。”

但真正的回报,Barth说,可能是把这些仪器放在一架飞机上,这种飞机是为直接飞进雷暴而建造的,而不是绕着雷暴飞行。她说:“大多数时候,我们关注的是进入风暴之前的空气,以及风暴顶部的顺风空气,你必须对两者之间发生的事情做出自己的结论。”“我很想知道风暴内部的化学成分,从一架穿越风暴的飞机上获得。”

詹姆斯·米切尔·克罗是澳大利亚墨尔本的科学作家