1. ÉPOCA PASADA (1750 - 1925)

El estudio de la naturaleza eléctrica de la atmósfera arranca a mediados del siglo XVIII, con las primeras investigaciones sobre la electricidad de las tormenta realizadas por Benjamin Franklin entre 1749 y 1752.
Poco después de los hallazgos de Franklin, Lemonnier descubrió que, durante condiciones de “buen tiempo”, sin presencia cercana o lejana de tormentas, la atmósfera posee un campo eléctrico (o gradiente de potencial) que oscila a lo largo del día. Ahora se sabe que ese campo tiene un valor medio de unos cien voltios por metro (cerca de la superficie), que está orientado en dirección al suelo y cuya magnitud desciende al subir en altura hasta que, a unos cincuenta kilómetros, su valor es ya muy pequeño. Por lo tanto, la diferencia de potencial eléctrico entre el suelo y la alta atmósfera es de unos trescientos kilovoltios, aunque su mayor variación se produce en las alturas menores.
Coulomb descubrió en 1785 la conductividad eléctrica del aire, que crece con la altura y que, junto con el campo eléctrico ambiental, origina una corriente de “buen tiempo” (de unos dos picoamperios por metro cuadrado) que va del cielo a la tierra. Ese mismo año, Cavendish realizó los primeros experimentos con arcos eléctricos y descubrió la formación de “nitrógeno oxidado” en el aire alrededor del arco eléctrico. En 1828, von Liebig relacionó los resultados de Cavendish con la posible generación de óxidos de nitrógeno por los rayos.

Durante el siglo XIX se hicieron nuevos descubrimientos como, entre otros, que la superficie terrestre está cargada negativamente (demostrado en 1842), o las primeras estimaciones en 1897 de la corriente eléctrica en rayos. Sin embargo, surgían nuevas preguntas: ¿cuál era el origen de la conductividad eléctrica del aire?, ¿cómo se mantienen tanto el campo eléctrico como la corriente eléctrica de “buen tiempo”?, o ¿por qué se mantiene cargado negativamente el suelo que pisamos si no cesa de llegar corriente positiva desde arriba?, ¿cómo se recarga la ionosfera de carga positiva?
Encontrar las respuestas a estos interrogantes fundamentales mantuvo ocupados a muchos científicos hasta el primer tercio del siglo XX. Las respuestas vinieron, literalmente, del cielo. El descubrimiento de los rayos cósmicos por Victor Hess en 1912 clarificó el origen de los iones en la atmósfera que, en presencia del campo eléctrico ambiental, explica la conductividad eléctrica de la atmósfera.
Sin embargo, la existencia de los rayos cósmicos no respondía a todas las preguntas formuladas anteriormente. Nuestra atmósfera es una gigantesca máquina eléctrica cuyas baterías son las tormentas y los rayos. Como sugirió F. Linss en 1887 y después demostró Charles T. R. Wilson en 1920, los rayos llevan carga eléctrica negativa al suelo, mientras que la carga positiva de la parte alta de las nubes de tormenta es transportada hacia la ionosfera que, después, en regiones de “buen tiempo”, origina una corriente eléctrica positiva aproximadamente constante hacia el suelo. Lo anterior es una versión muy simplificada de la teoría del circuito eléctrico global propuesta por Wilson en 1921 para explicar el origen de las corrientes eléctricas atmosféricas.
Como dato interesante, el velero Carnegie de la Institución Carnegie de Washington realizó entre 1915 y 1921 medidas del gradiente de potencial eléctrico de “buen tiempo” en todos los mares del planeta en función de la hora universal (UT, GMT en aquella época). Encontró lo que hoy se llama la “curva de Carnegie”, que muestra que el potencial eléctrico atmosférico oscila entre un mínimo de ochenta y cinco voltios por metro a las 4 am (UT) y un máximo de ciento veinte voltios por metro a las 7 pm (UT), siendo estos valores ligeramente mayores en invierno que en verano. Esta curva se ha llegado a definir como la expresión del latido eléctrico del planeta, ya que la mayor actividad tormentosa a nivel global (hay unas cuarenta mil tormentas activas al día en todo el globo) se produce justo entorno a las 7 pm (UT).  

2. ÉPOCA RECIENTE (1925 - 1990)

Durante el siglo XX comienzan nuevas investigaciones encaminadas a caracterizar los fenómenos eléctricos de la atmósfera, de la mano de los nuevos desarrollos tecnológicos relacionados con, por ejemplo, la electrónica ultrarrápida y las técnicas de imagen de altísima velocidad.
En esta época se realizan medidas rigurosas del campo eléctrico de “buen tiempo” desde distintos observatorios del Reino Unido. También empieza a surgir un mayor interés por el estudio detallado de la naturaleza de los rayos y su influencia en la atmósfera. En 1925 se publica la primera estimación del número de rayos a nivel global, dándose un valor de cien rayos por segundo (más del doble del valor que hoy conocemos de 44 + 3 rayos por segundo), que apenas cambia hasta finales de los 90 cuando comienzan a estar disponibles detectores de rayos en el espacio con cobertura global.
También en siglo XX se inician estudios sobre la estructura espacial de carga eléctrica en las nubes; se proponen teorías sobre los mecanismos de formación de los rayos y se intentan cuantificar algunas de sus características (energía, carga y corriente eléctrica transportada, campos eléctricos en las nubes). A finales de los años 70 y comienzo de los 80 se ponen en marcha las primeras campañas sistemáticas para determinar la producción de óxidos de nitrógeno (NO y NO2) y otros compuestos químicos por tormentas y rayos.
En 1924 y 1925 Wilson publicó un par de trabajos donde reflexionaba sobre, por un lado, la influencia del campo eléctrico de las nubes de tormenta (1924) en la alta atmósfera, por encima de los cincuenta kilómetros; y también sobre la posibilidad de que ese campo eléctrico pudiera acelerar a los electrones libres hasta energías altas (de varios megaelectronvoltios) mediante un mecanismo basado en la aceleración continua de electrones una vez superada la fuerza de fricción del aire. Ese mecanismo se conoce como runaway breakdown (podríamos traducirlo como “ruptura por escape”). Estos dos trabajos fueron el germen de los nuevos descubrimientos de finales del siglo XX.

3. PRESENTE Y FUTURO (1990- ...)

En 1989 se descubrieron accidentalmente las descargas eléctricas en la alta atmósfera. Estas descargas, llamadas hoy Fenómenos Luminosos Transitorios (Transient Luminous Events por su nombre en inglés o TLEs), como los blue jets, sprites, halos o elves, aparecen debido a la existencia de rayos en la troposfera.

En 1994 se detectaron, por primera vez y también de forma fortuita, potentes destellos de rayos gamma (Terrestrial Gamma ray Flashes por su nombre en inglés o TGFs) con origen en la atmósfera y que ocurrían durante ciertos episodios de fuertes tormentas eléctricas. Muy recientemente, a finales de 2017, un equipo japonés aportó pruebas experimentales definitivas de que los rayos también pueden producir reacciones fotonucleares en la atmósfera (había indicios no concluyentes desde 1985).
El descubrimiento de TLEs y TGFs, aparte de haber sido parcialmente anticipado por Wilson, ha abierto toda una nueva era en el estudio de la electricidad atmosférica que ha planteado una serie de preguntas cuyas respuestas son hoy día tema de investigación. En particular, no se conoce en detalle qué influencias tienen los rayos y ciertos tipos de TLEs en la química atmosférica global ni si el cambio climático puede alterar la frecuencia e intensidad de los rayos y de los TLEs y TGFs. Tampoco se conocen a día de hoy los mecanismos concretos que producen los rayos y los TGFs.
En respuesta a todos estos nuevos y apasionantes interrogantes, la comunidad internacional ha propuesto y lanzado entre 1995 y lo que llevamos del siglo XXI diversas misiones espaciales para el estudio de los rayos, TLEs y TGFs desde órbitas bajas (entre cuatrocientos y setecientos kilómetros de altura) y geoestacionarias (lanzamientos del GOES-R por EE.UU. y del Feng-Yun 4 por China en 2016, así como del MTG por Europa en 2021).
En el grupo de Electricidad Atmosférica del IAA (www.trappa.iaa.es), de cuya fundación se cumplen ahora diez años, llevamos a cabo investigaciones fundamentales y aplicadas en relación con la microfísica de rayos, TLEs y TGFs, así como sobre su influencia en la química de nuestra atmósfera.

El grupo de electricidad atmosférica del IAA actúa en diversos frentes mediante el desarrollo de instrumentación científica de vanguardia (espectrómetros GRASSP y GALIUS), estudios experimentales en el laboratorio, desarrollo de modelos junto con una activa participación en las recientes y futuras misiones espaciales para el estudio de fenómenos eléctricos en la atmósfera. Toda esta actividad se enmarca en varios proyectos europeos y nacionales, numerosas colaboraciones internacionales y varias tesis doctorales leídas o en marcha.
El futuro de la investigación en el campo de la electricidad atmosférica está lleno de nuevos retos y descubrimientos que vendrán de la mano de las misiones espaciales recién lanzadas por EE.UU., Europa, Japón y China. Así, en febrero de 2018 se lanzó el satélite español PAZ que lleva abordo un experimento para estudiar tormentas severas, en abril de 2018 se lanzó ASIM (Atmospheric Space Interaction Monitor) de la Agencia Europea del Espacio (ESA) en la que España participa como co-IP, con parte de un instrumento y con equipos humanos como el nuestro para su explotación científica.
En 2019-2020 se lanzará el satélite TARANIS (junto con el satélite español INGENIO) para estudiar la actividad eléctrica atmosférica y en el que también participa nuestro grupo. En 2021-2021 la Agencia Europea para la explotación de Satélites Meteorológicos (EUMETSAT) lanzará el primero de cuatro satélites de la tercera generación de satélites meteorológicos (MTG) europeos equipados por primera vez con sensores de rayos. Los nuevos MTG incorporan sensores de incendios para correlacionarlos con la frecuencia de rayos en regiones de alto riesgo de incendio en Europa.

EQUIPO en el iaa:

Científicos: F. J. Gordillo Vázquez, A. Luque, F. J. Pérez-Invernón, D. Li
Ingenieros: J. Sánchez, M. Passas
Estudiantes: A. Malagón, N. Kieu, M. Gomes, A. Schmalzried, S. Soler.