嵐の際の樹冠上部で発生する紫外線コロナ放電。

地球・鉱物科学部門

【長年にわたり科学者たちを悩ませてきた気象現象。自然の中で捉えられた「リーフチップにおけるコロナ放電による発光」】

ペンシルバニア州立大学の気象学および大気科学分野の専門家が、屋外に自作された伸縮式気象観測装置を搭載し、2013 年製のトヨタ・シーニャ（Sienna）という車体に改造を加え、2024 年 6 月、米国東海岸を南下し、フロリダ州特有のほぼ毎日発生する夏の雷雨を探求するために出発しました。彼らは長らく仮説とられてきた大気中の気象現象である「リーフチップにおけるコロナ放電」を捉えようとしていました。これは微少な電気パルスが樹木の葉先で舞い、樹冠全体を紫外線（UV）発光させる現象です。70 年以上にわたり科学者たちは、雷雨の際の森林内外の不規則な電気場活動から、樹梢がこのコロナ放電を生じさせていると推測してきましたが、これまで实验室以外の環境での観測記録はなかったのです。

その研究チームには、気象学および大気科学分野の名誉教授ウィリアム・ブルーン氏、同分野の博士課程学生パトリック・マクランドン氏、准助教ジェナ・ジェンキンス氏、旧所属の準研究教授で現在はペンシルバニア州立大学応用研究研究所に在籍するダビッド・ミラー氏が含まれており、彼らは初めてこの現象を科学的に記録することを目指しました。

チームは頻繁な雷雨が発生しやすい「太陽の州」と呼ばれるフロリダを選んだものの、研究活動でしばしば見られるように、典型的な気象条件は逆に非典型的でした。フロリダに滞在した 3 週間にわたり、マクランドン氏とブルーン氏は発生してすぐに去ってゆく突発的な雷雨を追いかけることに専念しました。

研究成果を挙げるには至りませんでした。しかし、ペンシルバニア州立大学へ戻っている最中に、イースト州間高速道路 I-95 の西側で大規模かつ持続的な雷雨が発生し始めました。チームはノースカロライナ州ペンブローк大学の駐車場に車を停め、距離計が 100 フィート（約 30 メートル）と記録したセイガムの樹冠に向かって観測機器を向けました。

その雷雨はほぼ 2 時間にわたり落雷と激しい豪雨を伴い、隊は雷雨の弱まる間際に、近隣にある長針葉のスギンボニィ松（loblolly pine）でもコロナ放電を観測する時間を手にしました。これらの成果は、自然環境下で直接観測された初のコロナ放電現象であり、最近『Geophysical Research Letters』に掲載されました。

マクランドン氏（論文の執筆者第 1 号）はこう述べています。「これはまさに、未だ発見への科学探求が続いていることを示しているのです」。半世紀以上にわたり「コロナが存在する」という仮説のみが議論されてきましたが、今回それが実証されました。

研究チームによれば、コロナ放電は雷雨の際に発生します。これは雲が強い負の電気を蓄え、その下に広がる地面上の正の電気を引き寄せた結果です。「反対性の力は互いに引き合う」という原理に従い、この正の電荷が地面から樹木を通して上昇し、最も高い点へと到達します。その結果、葉の細く毛のような先端に十分な強度を持つ電気場が生じ、可視光線および紫外線の両方で微弱なコロナ発光を生み出します。このコロナからの紫外線は水蒸気を分解し、ヒドロキシル（hydroxyl）を生成します。

ヒドロキシルは大気における主要な酸化剤です。酸化剤は空気中に放出される化学物質と反応することで大気を浄化し、除去が容易な他の化学物質を生み出します。これらには、樹木や人間活動から放出される揮発性有機化合物（VOCs）、あるいは温室効果ガスであるメタンが含まれます。チームが以前に行った研究では、森林樹冠におけるコロナ放電が大気清浄化の重要な源であることを確認しています。

今回の研究はこうした化学的変換プロセスに焦点を当てていました。数年前、チームは樹木の枝に対して高電圧・低電流の電気 impulses を施加し、コロナ放電からの紫外線放出とヒドロキシル化合物の生成との間に明確な相関関係を発見しました。前記プロジェクトおよび今回の観測において、研究者らはコロナが発生した位置で葉の損傷も観察していました。

この自然現象を捉え、その相関関係を有効に活用するために、チームは「コロナ観測望遠鏡システム」を開発しました。これはニュートン式望遠鏡であり、紫外線カメラと接続されています。該装置には大気電気測定機器が搭載され、水銀ランプを用いて紫外線放出に対して較正されています。太陽由来の紫外線波長帯域は完全に遮断されており、現場における紫外線の唯一の発生源としてコロナ放電、雷、火のみが残ります。

ノースカロライナ州では、このシステムがセイガム木で 859 件のコロナイベントを、スギンボニィ松では 93 件を捉えました。イベントの継続時間は瞬きから数秒までさまざまでした、とマクランドン氏は述べています。野外キャンペーン中、チームはさらに 4 回の雷雨および 4 つの別の樹種においてコロナを観測しました。

マクランドン氏は「肉眼的にはほぼ目に見えませんが、私たちの装置により、雷雨が上空を通過するにつれて広範囲にわたるきらめくコロナ発光が視覚化されます」と述べています。「こうした大規模なコロナ現象は、樹木から放出される炭化水素の除去、微細な葉損傷に関連し、森林・大気全体の健康へのより広範な影響を持つ可能性があります」。

研究者らはこの現象を確実確認しましたが、コロナ放電の潜在的な影響についてはまだ多くの点で不明であり、以下のような新たな疑問が生じています。

• この過程において樹木は害を受けると考えられるでしょうか？
• それとも何らかの方法で利益を得ているのでしょうか？
• 彼らはこれに耐えるように進化しているのでしょうか？
• 大気清浄化自体が森林に対して有益な効果をもたらすのでしょうか？

研究者たちは、これらの疑問に答えるために興味を示す樹木生態学者や生物学者との協力を開始し、私たちが囲まれている自然世界への新たな発見の道を開こうとしています。

本研究は米国国立科学財団（NSF）の支援により行われました。ブルーン氏、ジェンキンス氏、ミラー氏は共同執筆者として参加しました。