Коронные разряды превзошли грозовые облака по числу созданных радикалов-окислителей

Ученые из США обнаружили, что во время грозы коронные разряды на заземленных объектах создают огромное количество гидроксил- и гидропероксил-радикалов и озона. Образующиеся таким образом гидроксил-радикалы могут оказывать положительное влияние климат, нейтрализуя парниковый метан, и негативное — на линии электропередач, разрушая их полимерные изоляторы. Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Гидроксил-радикалы (HO•) — один из основных окислителей в атмосфере. Несмотря на высокую реакционную способность в воздухе, период их полураспада достигает десятков миллисекунд, поэтому эти частицы играют важную роль в окислительных процессах атмосферы (в частности они нейтрализуют парниковые газы). Поэтому важно понимать, при каких условиях и в каких количествах они образуются. Недавно ученые обнаружили, что большое количество гидроксил- и гидропероксил-радикалов (HOO•) возникает в атмосфере из-за молний и других более слабых электрических разрядов. Еще одним потенциальным источником радикалов могут быть коронные разряды, возникающие во время грозы, однако оценку количества радикалов в этом случае никто не проводил.

Чтобы определить концентрации гидроксил- и гидропероксил-радикалов, возникающих из-за коронных разрядов на заземленных проводниках, группа ученых под руководством Уильяма Брюна (William H. Brune) из Университета штата Пенсильвания проанализировала данные, полученные в ходе атмосферных наблюдений. Также ученые экспериментально оценили, как эти частицы влияют на окисление материалов вблизи короны. Для анализа физики использовали данные, полученные тропосферным датчиком оксидов водорода в Хьюстоне с августа по сентябрь 2006 года и в апреле 2009 года. Во время гроз ученые наблюдали резкое увеличение сигнала, которое в 2–3 раза превышало типичные дневные пиковые значения. Концентрации обоих радикалов составили от 2,3 × 10⁹ до 4,6 × 10¹⁰ частиц — даже больше, чем в грозовых облаках.

Сначала, чтобы доказать, что причиной избытка радикалов на датчике был именно грозовой коронный разряд, ученые сгенерировали такой же разряд искусственно. Концентрация радикалов, которую измерил датчик, соответствовала атмосферными измерениями и оказалась пропорциональна напряженности электрического поля. А концентрация образовавшегося при этом озона в 24–32 раза превышала концентрацию каждого радикала — такое же соотношение концентраций физики несколько лет назад наблюдали в грозовых облаках.

Для коронного разряда на заземленных громоотводах количество радикалов сопоставимо с результатами для датчика, при этом вызвать коронный заряд на них легче, чем на сенсоре. Поэтому физики предположили, что заземленные металлические предметы на зданиях также увеличивают концентрацию гидроксил- и гидропероксил-радикалов во время грозы.

Во второй части работы физики количественно оценили влияние индуцируемых коронными разрядами радикалов на окружающие проводники и громоотводы в США. Они посчитали, что за год в южных и центральных городах США происходит около 50 гроз. А суммарное время существования коронных разрядов составляет один час в год. Тогда уровень окисления гидроксил-радикалами воздуха в радиусе 10 сантиметров от громоотводов в 10 раз превышает норму. По оценкам ученых, концентрация радикалов, с учетом их переноса по ветру, на расстояниях до 10 метров от ЛЭП может увеличиться в 10–100 раз.

Также авторы работы выяснили, что окисление OH-радикалами вызывает разрушение углеводородных связей в полимерах, используемых для изоляторов ЛЭП. Влияние OH-радикалов оказывается более пагубным, чем озона, из-за их высокой реакционной способности. Раньше основной причиной деградации полимеров при коронном разряде считалось воздействие ультрафиолетового излучения от потока частиц высокой плотности.

Ученые заключили, что большое количество гидроксил-радикалов, которые образуются из-за коронных разрядов на заземленных металлических поверхностях во время гроз, может быть одной из ключевых причин деградации изоляторов ЛЭП. В то же время гидроксил-радикалы нейтрализуют парниковые газы, и они могут оказывать положительный климатический эффект. Следующей стадией работы, по словам ученых, может стать улучшение численных оценок: учет коронных разрядов на городских заостренных металлических конструкциях, а не только громоотводах, добавление поправки на ветер и расчет количества OH-радикалов в молниях.

Гидроксил-радикалы могут возникать не только из-за коронных разрядов, но даже из-за озонирования воздуха вокруг кожи человека. А еще ученые нашли способ, как уберечь металл от окисления гидроксильной группой.

Илья Бения