Los rayos y las descargas subvisibles producen moléculas que limpian la atmósfera.

Los rayos rompen las moléculas de nitrógeno y oxígeno en la atmósfera y crean 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 subvisibles que no pueden ser vistas por las cámaras o el ojo desnudo producen cantidades extremas del radical hidroxilo – OH – y del radical hidroperoxilo – HO2.
El radical hidroxilo es importante en la atmósfera porque inicia reacciones químicas y descompone moléculas como el metano, un gas de efecto invernadero. OH es el principal impulsor de muchos cambios de composición en la atmósfera.
"Inicialmente, miramos estas enormes señales de OH y HO2 encontradas en las nubes y preguntamos, ¿qué pasa con nuestro instrumento?" dijo William H. Brune, distinguido profesor de meteorología en Penn State. "Asumimos que había ruido en el instrumento, por lo que eliminamos las enormes señales del conjunto de datos y las archivamos para un estudio posterior".
Los datos provienen de un instrumento en un avión que voló sobre Colorado y Oklahoma en 2012 para observar los cambios químicos que las tormentas eléctricas y los rayos provocan en la atmósfera.
Pero hace unos años, Brune sacó los datos del estante, vio que las señales eran realmente hidroxilo e hidroperoxilo, y luego trabajó con un estudiante graduado e investigador asociado para ver si estas señales podían ser producidas por chispas y descargas subvisibles en el laboratorio. . Luego hicieron un nuevo análisis del conjunto de datos de tormentas eléctricas y rayos.
"Con la ayuda de un gran estudiante en prácticas", dijo Brune, "pudimos vincular las enormes señales vistas por nuestro instrumento que volaba a través de las nubes de tormenta con las mediciones de rayos realizadas desde el suelo".
Los investigadores informan sus resultados en línea hoy (29 de abril) en Science First Release y Journal of Geophysical Research – Atmospheres.

Brune señala que los aviones evitan volar a través de los núcleos de tormentas eléctricas que aumentan rápidamente porque es peligroso, pero pueden tomar muestras del yunque, la parte superior de la nube que se extiende hacia afuera en la dirección del viento. Los rayos visibles ocurren en la parte del yunque cerca del núcleo de la tormenta.
"A lo largo de la historia, la gente solo se interesó por los relámpagos por lo que podían hacer en el suelo", dijo Brune. "Ahora hay un interés creciente en las descargas eléctricas más débiles en las tormentas eléctricas que provocan rayos".
La mayoría de los rayos nunca caen sobre el suelo, y los rayos que permanecen en las nubes son particularmente importantes para afectar el ozono, y un importante gas de efecto invernadero, en la atmósfera superior. Se sabía que los rayos pueden dividir el agua para formar hidroxilo e hidroperoxilo, pero este proceso nunca se había observado antes en tormentas eléctricas.
Lo que confundió al equipo de Brune inicialmente fue que su instrumento registró altos niveles de hidroxilo e hidroperoxilo en áreas de la nube donde no había rayos visibles desde el avión o el suelo. Los experimentos en el laboratorio mostraron que una corriente eléctrica débil, mucho menos energética que la del rayo visible, podría producir estos mismos componentes.
Si bien los investigadores encontraron hidroxilo e hidroperoxilo en áreas con rayos subvisibles, encontraron poca evidencia de ozono y ninguna evidencia de óxido nítrico, que requiere la formación de rayos visibles. Si los rayos subvisibles ocurren de manera rutinaria, entonces el hidroxilo y el hidroperoxilo que crean estos eventos eléctricos deben incluirse en los modelos atmosféricos. Actualmente, no lo son.

Según los investigadores, "el OH (hidroxilo) generado por rayos en todas las tormentas que suceden a nivel mundial puede ser responsable de una oxidación altamente incierta pero sustancial del 2% al 16% de la oxidación del OH atmosférico global".
"Estos resultados son muy inciertos, en parte porque no sabemos cómo se aplican estas medidas al resto del mundo", dijo Brune. "Solo volamos sobre Colorado y Oklahoma. La mayoría de las tormentas eléctricas están en los trópicos. Toda la estructura de las tormentas de las llanuras altas es diferente a las de los trópicos. Claramente, necesitamos más mediciones de aviones para reducir esta incertidumbre".
Otros investigadores de Penn State incluyen a Patrick J. McFarland, estudiante; David O. Miller, doctor en medicina; y Jena M. Jenkins, candidata a doctorado, todos en meteorología y ciencias atmosféricas.
También trabajaron en el proyecto Eric Bruning, profesor asociado de ciencias atmosféricas, Texas Tech University; Sean Waugh, meteorólogo investigador y Donald MacGorman, científico investigador principal, ambos en el Laboratorio Nacional de Tormentas Severas de la NOAA; Xinrong Ren, científico físico, Laboratorio de Recursos del Aire de la NOAA; Jingqiu Mao, profesor asistente de química atmosférica, Universidad de Alaska; y Jeff Peischl, asistente de investigación profesional senior, Instituto Cooperativo de Investigación en Ciencias Ambientales, Universidad de Colorado, Boulder.
La Fundación Nacional de Ciencias, la NASA y la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica apoyaron este trabajo.

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