revista de divulgación del Instituto de Astrofísica de Andalucía

Deconstrucción

Los relámpagos

Se estima que, cada segundo, se producen unos cincuenta relámpagos en la atmósfera terrestre. En su descenso, los rayos avanzan en una serie de saltos discontinuos cuyo origen se ignora. Tampoco se comprende por qué, al propagarse, los rayos emiten pulsos de muy alta energía, o qué es lo que produce un fenómeno conocido como "destellos terrestres de rayos gamma" relacionados con las tormentas eléctricas. La instrumentación actual no nos permite resolver las escalas espaciales necesarias para investigar estos procesos. Por eso mi propuesta se basa en usar técnicas computacionales avanzadas, es decir, en usar un ordenador a modo de microscopio que nos desvele los procesos físicos involucrados en el avance de un rayo
Por Alejandro Luque (IAA-CSIC)

1. La primera explicación

En 1752 Benjamin Franklin realizó el famoso experimento en el que voló una cometa bajo una tormenta y observó la aparición de pequeñas chispas eléctricas en una llave atada al cordel. Desde entonces sabemos con toda seguridad que los rayos de una tormenta son fenómenos eléctricos. La descripción que encontramos en los libros de texto es sencilla: en la vigorosa convección de una nube tormentosa los granos de hielo y nieve colisionan y adquieren cargas eléctricas opuestas. Debido a su diferente peso los granos más ligeros, cargados positivamente, ascienden en la corriente convectiva mientras los más pesados, con carga negativa, quedan en la partes bajas de la nube. La separación de cargas crea un campo eléctrico que, cuando es suficientemente intenso, inicia una descarga bien dentro de la nube o bien entre la nube y el suelo.
Esta explicación es bastante satisfactoria y, de hecho, contentó a los estudiosos de la electricidad atmosférica desde los tiempos de Franklin hasta bien entrado el siglo XX.  Sin embargo, como en otros campos de la ciencia, también en el estudio de la electricidad la introducción de mejores instrumentos de medida condujo a observaciones inesperadas y mostró que la descarga de un rayo es un fenómeno extremadamente complejo en cuyos procesos físicos apenas hemos penetrado. El estudio de un rayo nos lleva desde el electromagnetismo clásico a la física de altas energías y de sistemas complejos. Por otro lado, las investigaciones sobre electricidad atmosférica no se detienen en las descargas provenientes de una nube tormentosa sino que viajan también a capas altas de la atmósfera terrestre e incluso a otros planetas de nuestro Sistema Solar.

2. Incógnitas

Comencemos por la forma en la que un rayo avanza desde la nube hacia el suelo. En los años 30 del siglo XX, gracias a la introducción de cámaras de barrido, cuyo negativo gira a gran velocidad, se descubrió que la mayoría de los rayos no se propagan de forma continua sino que alternan saltos y pausas de algunas millonésimas de segundo.
Actualmente no existe ninguna explicación clara para este fenómeno. Además, ya en nuestro siglo XXI, una nueva observación añadió misterio a este comportamiento: junto a cada uno de estos saltos un rayo emite pulsos de rayos X. Y aquí va otro misterio: en ciertas ocasiones, una tormenta emite pulsos aún más energéticos que los rayos X, en el rango de la radiación gamma. Y estas radiaciones son tan intensas que se detectan de forma rutinaria con satélites que orbitan nuestro planeta a cientos de kilómetros de altura y que fueron diseñados para buscar emisiones gamma originadas fuera de nuestra galaxia. Los pulsos de rayos gamma convierten a las tormentas eléctricas en los más potentes aceleradores de partículas naturales existentes en nuestro planeta.

3. Rayos en las alturas

Pero las sorpresas que nos han dado los rayos no se limitan a su propagación. También hemos descubierto que los rayos son los progenitores de una familia numerosa en capas altas de nuestra atmósfera. En la noche del 5 al 6 de julio de 1989, un grupo de investigadores de la Universidad de Minnesota, dirigidos por John R. Winckler, probaba una cámara que iba a ser instalada en un cohete para investigar la atmósfera. Por azar apuntaron la cámara hacia un fragmento claro del cielo sin dar importancia a que, bajo él, en el horizonte, se vislumbraban nubes de una tormenta cientos de kilómetros al norte. Al observar su grabación descubrieron que dos de sus fotogramas mostraban intensas emisiones luminosas a gran altura. Ahora sabemos que Winckler y su equipo cazaron imágenes de lo que hoy llamamos un duende, una enorme descarga situada entre cincuenta y noventa kilómetros de altura que dura unas milésimas de segundo.
Los duendes se deben al campo eléctrico producido por la carga que permanece en una nube tras un rayo. Puesto que es más fácil iniciar una descarga eléctrica en la atmósfera enrarecida a gran altura, este campo, aunque pequeño, es suficiente para iniciar un duende. Y los duendes no son los únicos “descendientes” de un rayo: en las últimas décadas también se han observado otros seres igualmente enigmáticos: los elfos son emisiones ópticas con forma de rosquilla creadas a unos cien kilómetros de altura por el pulso electromagnético de un rayo, los chorros azules son descargas que ascienden desde la parte superior de una nube hasta unos cuarenta kilómetros y los hermanos mayores de la familia, llamados “gigantes”, combinan un chorro azul y un duende con lo que conectan las nubes y la ionosfera, abarcando casi noventa kilómetros de altura.

4. En el Sistema Solar

Pero, como dijimos antes, el estudio de la electricidad atmosférica también nos lleva a otros planetas del Sistema Solar. Las primeras evidencias de rayos fuera de la Tierra las enviaron las sondas Voyager, que fueron lanzadas a finales de los años 70 para explorar los confines del Sistema Solar. A su paso por Júpiter estas sondas tomaron fotografías de su lado oscuro en las que los rayos se destacaban como puntos luminosos.  También en Saturno los rayos se dejaron retratar, en este caso por la sonda Cassini, que así confirmó indicios obtenidos a partir de señales de radio.  El caso de Venus es algo más controvertido, ya que aunque algunos investigadores identifican cierto ruido electromagnético con la presencia de descargas eléctricas, aún no han podido obtenerse señales ópticas claras. La sonda japonesa Akatsuki, que desde hace unos meses orbita este planeta, cuenta con una cámara de alta velocidad con la que esperamos que resuelva esta controversia.

Como hemos visto, a pesar de que han transcurrido casi tres siglos desde que Franklin estableciera su naturaleza eléctrica, es aún mucho lo que ignoramos sobre los rayos.  Recientemente el Consejo Europeo de Investigación (ERC) ha subvencionado un proyecto que se desarrollará en el Instituto de Astrofísica de Andalucía del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y que busca resolver algunos de los misterios que hemos mencionado. La herramienta será la computación numérica: esperamos que la simulación de los procesos elementales que ya entendemos nos permita elucidar procesos más complejos, como la propagación a saltos del rayo y las emisiones de altas energías. Curiosamente, hoy disponemos de potentes ordenadores gracias a las investigaciones sobre electricidad que iniciaron Franklin y otros. Resulta inspirador que ahora usemos un ordenador para proseguir el estudio de los rayos del que él fue pionero.

 

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