1 de Febrero de 2022
Meteorología

¿Cómo se inician los rayos?

Los científicos observan por primera vez cómo se desencadenan los relámpagos en el interior de una nube cuando los campos eléctricos se vuelven lo bastante intensos.

La opacidad de las nubes de tormenta ha impedido hasta hace poco que los científicos observen cómo se inician los rayos. [Oimheidi/Pixabay]

Durante una tormenta de verano en 2018, un rayo trascendental brilló sobre una red de radiotelescopios en los Países Bajos. Los registros detallados de los telescopios, que se han procesado recientemente, revelan algo que nadie había visto antes: el origen de un rayo en el interior de una nube.

En un artículo publicado en Geophysical Research Letters, los investigadores usaron las observaciones para resolver un antiguo debate sobre qué desencadena los rayos: el primer paso en el misterioso proceso por el cual los relámpagos surgen, crecen y se propagan hasta el suelo. «Resulta un tanto embarazoso. Es el fenómeno más energético del planeta, hay religiones centradas en él y no tenemos ni idea de cómo funciona», señala Brian Hare, investigador de rayos en la Universidad de Groninga y coautor del nuevo trabajo.

La imagen clásica es que, dentro de una nube de tormenta, el granizo desciende mientras se elevan cristales de hielo más ligeros. El granizo arranca los electrones negativos de los cristales, lo cual hace que la parte superior de la nube se cargue positivamente, y la inferior, negativamente. Eso crea un campo eléctrico que va creciendo hasta que una inmensa chispa atraviesa el cielo.

Sin embargo, los campos eléctricos en el interior de las nubes son unas 10 veces más débiles de lo necesario para generar chispas. «Hemos enviado globos, cohetes y aviones a las tormentas eléctricas durante décadas y nunca hemos visto campos eléctricos lo bastante intensos», apunta Joseph Dwyer, físico de la Universidad de New Hampshire y coautor del nuevo artículo, quien lleva más de dos décadas reflexionando sobre el origen de los rayos. «Es un verdadero misterio cómo se pone en marcha el proceso.»

Un gran impedimento es que las nubes son opacas. Ni siquiera las mejores cámaras pueden escudriñar su interior para revelar el momento en que se desencadena un rayo. Hasta hace poco, los científicos no tenían más remedio que aventurarse en la tormenta, algo que llevan intentando desde que en 1752 Benjamin Franklin realizara su famoso experimento con una cometa. (Según una versión contemporánea, Franklin ató una llave a una cometa y la hizo volar bajo una nube de tormenta, observando que la cometa se electrificaba.)

Más recientemente, los globos y cohetes meteorológicos han ofrecido instantáneas del interior de las nubes, pero su presencia interfiere con los datos al crear chispas artificiales. «Durante mucho tiempo, realmente no hemos sabido cuáles son las condiciones dentro de una tormenta eléctrica, en el momento y lugar en que se inicia el rayo», admite Dwyer.

Entonces, Dwyer y su equipo recurrieron a la Batería de Radiotelescopios de Baja Frecuencia (LOFAR, por sus siglas en inglés), una red de miles de pequeños radiotelescopios situada en su mayor parte en los Países Bajos. LOFAR suele observar galaxias distantes y explosiones estelares. Pero, según Dwyer, «resulta que también es muy eficaz para medir los rayos».

LOFAR, un gran conjunto de telescopios situados principalmente en los países bajos, registra los rayos cuando no está realizando observaciones astronómicas. [<a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:LOFAR_Superterp.jpg">LOFAR/ASTRON/Wikimedia Commons</a>]

Cuando las tormentas pasan por encima, LOFAR no puede hacer demasiadas observaciones astronómicas. En cambio, el telescopio sintoniza sus antenas para detectar el aluvión de aproximadamente un millón de pulsos de radio que emanan de cada relámpago. A diferencia de la luz visible, los pulsos de radio pueden atravesar nubes espesas.

El uso de detectores de radio para estudiar los rayos no es nuevo. En Nuevo México, un conjunto de antenas de radio especialmente diseñadas llevan mucho tiempo observando tormentas. Pero esas imágenes son de baja resolución o solo en dos dimensiones. LOFAR, un telescopio astronómico de última generación, puede estudiar los rayos metro a metro en tres dimensiones, y con 200 veces más fotogramas por segundo que los instrumentos anteriores. «Las mediciones de LOFAR nos brindan la primera imagen realmente clara de lo que sucede en el interior de una tormenta eléctrica», asegura Dwyer.

Al materializarse, un rayo produce millones de pulsos de radio. Para reconstruir una imagen de un rayo en tres dimensiones a partir del maremágnum de datos, los investigadores emplearon un algoritmo similar al utilizado en los alunizajes de las misiones Apolo. El algoritmo actualiza continuamente lo que se sabe sobre la posición de un objeto. Una única antena de radio solo puede indicar la dirección aproximada del destello, pero al agregar datos de una segunda antena se actualiza la posición. Al conectar una y otra vez las miles de antenas de LOFAR, el algoritmo construye un mapa detallado.

Cuando los investigadores analizaron los datos del relámpago de agosto de 2018, vieron que todos los pulsos de radio provenían de una región de 70 metros de ancho en el interior de la nube de tormenta. Enseguida dedujeron que el patrón de pulsos respaldaba una de las dos principales teorías sobre cómo se inician los rayos más habituales.

Una idea sostiene que los rayos cósmicos (partículas procedentes del espacio exterior), chocan con los electrones en el interior de las tormentas eléctricas, y eso desencadena cascadas de electrones que intensifican los campos eléctricos.

Las nuevas observaciones apuntan a la teoría rival, que parte de grupos de cristales de hielo dentro de la nube. Las colisiones turbulentas entre los cristales con forma de aguja arrancan algunos de sus electrones, dejando un extremo de cada cristal de hielo con carga positiva y el otro con carga negativa. El extremo positivo atrae los electrones de las moléculas de aire cercanas, y otros electrones fluyen desde las moléculas de aire más alejadas, formando filamentos de aire ionizado que se extienden desde la punta de cada cristal de hielo y que reciben el nombre de «dardos» o «serpentinas».

La punta de cada cristal da lugar a infinidad de dardos que se bifurcan una y otra vez. Estos calientan el aire circundante, arrancando masivamente electrones de las moléculas de aire, de modo que fluye una corriente mayor hacia los cristales de hielo. En algún momento, un dardo se vuelve lo bastante caliente y conductor como para convertirse en un «líder», un canal a lo largo del cual puede viajar un rayo.

«Eso es lo que estamos viendo», aclara Christopher Sterpka, primer autor del nuevo artículo. En una película que muestra el inicio del destello, elaborada por los investigadores a partir de los datos, parece que los pulsos de radio crecen exponencialmente debido al aluvión de dardos. «Cuando cesa esa avalancha, observamos un líder cerca», señala. En los últimos meses, Sterpka ha compilado otras películas que se parecen a la primera.

Animación creada a partir de los datos de LOFAR que muestra el desarrollo de un rayo a cámara lenta. La duración real de la descarga es de menos de 0,2 segundos y hacia el final del vídeo, el relámpago se extiende a lo largo de unos 5 kilómetros en todas direcciones. [Universidad de Groninga]

El papel clave de los cristales de hielo encaja con otros resultados recientes que muestran que la actividad eléctrica de las tormentas se redujo en más de un 10 por ciento durante los primeros tres meses de la pandemia de COVID-19. Los investigadores atribuyen esta caída a los confinamientos, que redujeron la cantidad de contaminantes en el aire y, por lo tanto, de lugares de nucleación para los cristales de hielo.

«Los pasos que ha dado LOFAR sin duda son muy importantes», valora Ute Ebert, física de la Universidad de Tecnología de Eindhoven y del Centro de Matemáticas e Informática de los Países Bajos que estudia la iniciación de los rayos pero no participó en el nuevo trabajo. Ebert comenta que las películas de LOFAR sobre el inicio del destello ofrecen un marco para construir modelos y simulaciones de rayos, una tarea que hasta ahora se había visto frenada por la falta de datos de alta resolución.

Sin embargo, Ebert señala que la película descrita en el nuevo artículo, pese a su resolución, no muestra directamente las partículas de hielo que ionizan el aire, sino solo lo que sucede inmediatamente después. «¿De dónde viene el primer electrón? ¿Cómo comienza la descarga en las inmediaciones de una partícula de hielo?», se pregunta.

No hay muchos investigadores que sigan apoyando la teoría rival, que sostiene que los rayos cósmicos desencadenan directamente los rayos. Pero los rayos cósmicos aún podrían desempeñar un papel secundario, generando los electrones que dan lugar a los primeros dardos que se conectan a los cristales de hielo, explica Ebert. El modo exacto en que los dardos se convierten en líderes también es «objeto de un gran debate», según Hare.

Dwyer tiene la esperanza de que LOFAR sea capaz de distinguir esos procesos, que tienen lugar a una escala milimétrica. «Estamos tratando de ver esas pequeñas primeras chispas que se desprenden [de los cristales de hielo] para captar el proceso de iniciación del rayo desde el principio», indica.

Y ese proceso es solo el primero de los muchos pasos intrincados que da el rayo en su camino hacia la superficie. «No sabemos cómo se propaga y crece», detalla Hare, «ni cómo se conecta con el suelo». Los científicos esperan cartografiar toda la secuencia con la red LOFAR. «Es una capacidad totalmente nueva, y creo que aumentará nuestra comprensión de los rayos a pasos agigantados», concluye Julia Tilles, investigadora de rayos en los Laboratorios Nacionales Sandia de Nuevo México.

Thomas Lewton/Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «The spontaneous nature of lightning initiation revealed», Christopher Sterpka et al. en Geophysical Research Letters, vol. 48, art. e2021GL095511, 16 de diciembre de 2021.

Revistas relacionadas

Los boletines de Investigación y Ciencia

Elige qué contenidos quieres recibir.