ولماذا هو مفيد ومضر لغلافنا الجوي؟

عاصفة رعدية قبالة ساحل خليج بايرون، أستراليا. سماء متغيرة الألوان تتألق بعرض ضوئي طبيعي من صواعق البرق، وغيوم متصاعدة تتراقص في السماء لساعات. 

البرق جميل بقدر ما هو قاتل. كما أنه يُطلق الغازات. حسنًا، نوعًا ما. تُطلق صواعق البرق التي تخترق السماء أثناء العواصف الرعدية غازًا موجودًا في عوادم السيارات - أكسيد النيتروجين (NO). يمكن أن يؤثر هذا الغاز سلبًا على جودة الهواء ويسبب أمراضًا تنفسية لدى البشر، ولكن كيفية تأثير أكسيد النيتروجين الناتج عن البرق على الغلاف الجوي ما زالت غير واضحة.

لأول مرة، استخدم فريق من العلماء عمليات رصد الأقمار الصناعية عالية التردد لإجراء تجربة يمكنها رصد البرق وتأثيره على الهواء. وجد الفريق أن العواصف الرعدية تُنتج في الوقت نفسه ملوثات ومواد كيميائية أساسية تُساعد على تنقية الغلاف الجوي للأرض.

كيف يُنتج البرق الغاز؟

تُولّد ضربات البرق درجات حرارة عالية جدًا تُفكّك جزيئات النيتروجين والأكسجين في الهواء. يُنتج هذا الاضطراب الجزيئي أكسيد النيتروجين، وثاني أكسيد النيتروجين (NO₂)، وأنواعًا أخرى من غاز أكسيد النيتروجين. هذه بعضٌ من ملوثات الهواء نفسها التي تُولّدها السيارات ومحطات الطاقة وغيرها من عمليات احتراق الوقود الأحفوري. بدورها، تُسبب أكاسيد النيتروجين تلوث الأوزون.

صرح كينيث بيكرينغ، عالم الغلاف الجوي بجامعة ماريلاند، في بيان: "يُشكّل البرق عالميًا ما بين 10% و15% من إجمالي أكاسيد النيتروجين المُنطلقة في الغلاف الجوي".

في حين أن التلوث البشري أكثر بكثير في الغلاف الجوي، يُطلق البرق أكاسيد النيتروجين على ارتفاعات أعلى بكثير. على هذه الارتفاعات، يُمكن أن يُنتج البرق الأوزون، وهو غاز أزرق باهت ذو رائحة نفاذة. يُمكن أن يؤدي ازدياد الأوزون إلى المزيد من تلوث الهواء في الغلاف الجوي العلوي، بنفس الطريقة التي يُولّد بها عوادم السيارات ملوثات الأوزون بالقرب من الأرض. في بعض الأحيان، ينتقل الأوزون الناتج عن الصواعق إلى سطح الأرض، مما يؤثر على جودة الهواء على بُعد مئات الأميال من مكان العاصفة الأصلية. ويتفاقم هذا التأثير عمومًا خلال فصل الصيف، عندما ترتفع درجات الحرارة ويزداد إنتاج الأوزون.

يُقارن تأثير الصواعق على المناخ خلال فصل الصيف بأكاسيد النيتروجين الناتجة عن الأنشطة البشرية، ولهذا السبب أردنا دراسة العواصف خلال شهر يونيو، كما أوضح عالم أبحاث الغلاف الجوي ديل ألين.

ومع ذلك، لا يقتصر تأثير الصواعق على هذا التلوث الجوي عالي المستوى فحسب، بل يُحفز أيضًا تكوين جذور الهيدروكسيل. تساعد هذه الجزيئات المهمة في تنقية الغلاف الجوي للأرض عن طريق تفكيك غازات الدفيئة مثل الميثان ومستويات تلوث الأوزون الخلفية التي لم تنشأ من مصدر محلي بشري.

إذن، كيف ينتشر هذا المزيج من جذور الهيدروكسيل المُنظفة للهواء والأوزون المُلوث للهواء في الغلاف الجوي؟

تفاعلات البرق المتسلسلة

 للتحقق من ذلك، استخدم ألين وبيكرينغ بياناتٍ مُلتقطة بواسطة جهاز ناسا "انبعاثات التروبوسفير: رصد التلوث" (TEMPO). أُطلق جهاز TEMPO عام ٢٠٢٣، ويتتبع ملوثات الهواء من ارتفاع ٢٢,٠٠٠ ميل فوق سطح الأرض.

في أواخر يونيو، راقب الفريق العواصف الرعدية بدقة أثناء مرورها عبر شرق الولايات المتحدة باستخدام TEMPO. عادةً، يتتبع القمر الصناعي ملوثات الهواء كل ساعة. بدلاً من ذلك، أجرت تجربة بيكرينغ وألين قياساتٍ لثاني أكسيد النيتروجين المرتبط بكل عاصفة على فترات ١٠ دقائق.

بقياس ثاني أكسيد النيتروجين كل ١٠ دقائق، لاحظوا العمليات الجوية المعقدة التي تحدث مباشرةً داخل كل عاصفة رعدية.

قال بيكرينغ: "هذه هي المرة الأولى التي يُجرى فيها هذا النوع من الأبحاث بهذا التواتر الزمني". تتطور العواصف الرعدية بسرعة. غالبًا ما تتراكم وتشتد ثم تخمد في غضون ساعة. تُتيح لنا هذه الملاحظات قصيرة الفترات الزمنية لمحات أدق عما يحدث فعليًا أثناء العاصفة.

بفضل هذه التجربة وبيانات من أجهزة الأقمار الصناعية لرسم خرائط البرق الثابتة جغرافيًا التابعة للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA)، قام الفريق بحساب ومضات البرق فور حدوثها. ووفقًا لألين، يُوفر هذا "فكرة أدق عن كمية ثاني أكسيد النيتروجين التي تُنتجها كل ومضة برق أثناء العاصفة ومدة بقائها بعدها".

بالإضافة إلى ذلك، تُقدم التجربة فهمًا أعمق للتفاعل المتسلسل الذي يربط أكاسيد النيتروجين الملوثة بجذور الهيدروكسيل المُنظفة للهواء.

قال ألين: "نعتقد أنه عندما تشتد العواصف، تُصبح ومضات البرق أقصر وتُنتج كمية أقل من أكسيد النيتروجين لكل ومضة". "ستمنحنا هذه الدراسة فرصة لإثبات ذلك. إن فهم كيفية تغير أثر البرق في عالم يشهد تقلبات جوية متطرفة متزايدة أمرٌ أساسي لصياغة نماذج مناخية للمستقبل".

تتبع الأوزون

لم تخضع البيانات الأولية لهذه التجربة لمراجعة الأقران، ولكن قد يُسهم التحليل الإضافي في تحسين نماذج المناخ التي تؤثر على الحياة اليومية على الأرض. وأشار ألين إلى أن الغازات الناتجة عن البرق يمكن أن تنتقل عبر "أحزمة ناقلة طويلة من الهواء المتحرك"، وقد تؤثر على جودة الهواء بعيدًا عن مواقع حدوث العواصف. كما يُسهم البرق أحيانًا في تكوين الأوزون الأرضي، وهو مُكوّن رئيسي للضباب الدخاني الذي يُمكن أن يُسبب الربو وأمراض الجهاز التنفسي الأخرى.

وصرح بيكرينغ: "بالنسبة لسكان المناطق الجبلية مثل كولورادو، تُعدّ هذه المعلومات بالغة الأهمية، إذ يُساهم البرق بشكل كبير في تكوين الأوزون السطحي على ارتفاعات أعلى". وأضاف: "قد يُحدث ذلك فرقًا في كيفية تنبؤ خبراء الأرصاد الجوية بجودة الهواء أثناء العواصف وبعدها في مثل هذه المناطق".

كما تُتيح التجربة نظرةً على قدرة الغلاف الجوي على تحليل الملوثات بشكل طبيعي، بما في ذلك الميثان والهيدروكربونات الضارة الأخرى المسؤولة عن الاحتباس الحراري.

وأضاف ألين: "مع بيانات أفضل، تأتي تنبؤات أفضل، وربما طرق أفضل لحماية صحتنا وبيئتنا من التلوث الطبيعي والبشري".

المصدر: