El origen de los rayos

Un rayo constituye uno de los fenómenos metereológicos más espectaculares y habituales que podemos ver. Es una descarga eléctrica natural que se origina por el choque de los cristales de hielo del interior de las nubes. Así, las partículas de éstas se electrifican y las cargas positivas se acumulan en la parte alta de la nube mientras que las negativas se van a la baja y originan una carga positiva inducida en el suelo (de ahí que los rayos se dirigan a tierra).

Lo que se desconoce es cómo una nube tormentosa inicia la chispa necesaria para provocar un rayo y el mayor misterio radica en que el campo eléctrico de éstas suele ser limitado: los experimentos y estudios demuestran que unas diez veces menor del hipotéticamente necesario. Las tormentas eléctricas pueden generar más de cien millones voltios, pero esto es si se aplica a través de un espacio muy grande -cientos de metros-.

Se calcula que la tierra es alcanzada por más de un centenar de rayos cada segundo así que la pregunta es ¿cómo se libera esa corriente eléctrica? Para empezar, el aire, que normalmente es aislante, debe permitir de alguna forma que la carga eléctrica se mueva libremente. Como la parte inferior de las nubes es negativa y las tormentas se mueven, eso hace que las partículas sobre suelo se carguen positivamente. Así se crea un canal de aire ionizado que permite a la corriente eléctrica fluir transportando la carga negativa a objetos con carga positiva, a menudo árboles o edificios altos.

Esa corriente, que es lo que llamamos rayo, calienta el aire a 27.700º (cuatro veces la superficie del sol). Pero ¿cómo empieza todo? Es algo que sigue siendo incierto para los científicos: muchos opinan que cuando las colisiones entre las partículas de hielo en las nubes tormentosas ionizan el aire, pero Alexander Gurevich propone algo distinto: los rayos cósmicos, partículas de alta energía, en su mayoría protones, que nacen en el espacio y se aceleran por enérgicos procesos astrofísicos tales como las supernovas y colisiones de estrellas. Viajan a través del espacio y golpean la atmósfera superior de la tierra, produciendo lluvias altamente energéticas de partículas ionizadas, aceleradas casi a la velocidad de la luz.

Cuando se dan estas partículas de alta energía a través de una nube tormentosa, ionizan el aire en su interior y crean una región con una gran cantidad de electrones libres que chocan con los átomos en el aire y producen aún más electrones en el llamado runaway breakdown. En este caso, la distribución inicial de la electricidad en la nube de tormenta puede darse a través de una gran cantidad de espacio: varios cientos de metros o incluso kilómetros.

En realidad la teoría tiene más de dos décadas pero no ha podido demostrarse hasta ahora, cuando los cálculos numéricos demuestran que existe este desglose de electrones. En una verdadera tormenta, las condiciones como el viento y el campo eléctrico varían en el espacio y el tiempo; es increíblemente difícil de demostrar experimentalmente la hipótesis, así que Gurevich decidió echar un vistazo a los pulsos de radio que se producen en el inicio de un relámpago. Utilizó un dispositivo que mide las ondas de radio y muestra en qué dirección vienen para grabar datos de 3.800 rayos nube-a-tierra en Rusia y Kazajstán. Los datos mostraron que, aunque su patrón coincidía con lo predicho por los modelos runaway breakdown, los impulsos eran demasiado grandes para ser producidos por los rayos cósmicos regulares.

Su sugerencia es que cada nube tiene partículas de hielo cargado, llamadas hidrometeoros, que podrían estar amplificando los pulsos. Cuando una gran cantidad de electrones libres –creados en un proceso runaway breakdown e iniciado por rayos cósmicos— se recoge cerca de estos hidrometeoros, aumenta la señal de pulso de radio actual observada.

El equipo de Gurevich también está intentando encontrar una correlación entre los rayos gamma, los rayos cósmicos y los pulsos de radio, porque cree que las explosiones de rayos gamma que vemos por encima de las nubes de tormenta son causadas por un proceso de descomposición fugitivo. Los rayos gamma, una forma extremadamente enérgica de la radiación electromagnética, son invisibles generalmente, pero las altamente energéticas explosiones de rayos gamma sí rusltan muy brillantes. Ocurren generalmente en el espacio profundo, pero pueden verse a través de la atmósfera terrestre, por encima de las nubes tormentosas, como flashes muy brillantes que duran una fracción de un segundo.

Para ver la radiación gamma hace falta estar a gran altura y la estación científica Tien Shan de Kazajstán se halla a cuatro mil metros sobre el nivel del mar. Como está dotada de sensores para medir la radiación gamma, tan pronto como comience una tormenta eléctrica esos destellos brillantes aparecerán dentro de las nubes de tormenta y se verá que son coincidentes con los pulsos de radio que también registran.

Lo más interesante de todo es que el runaway breakdown también puede darse en el espacio. La superficie de Júpiter parece un buen sitio, por ejemplo, de ahí que estudiar el proceso en la Tierra ayudará a entender lo que pasa en otros rincones del Universo.

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