“La tormenta perfecta”: un grupo de científicos descubrió qué pasa antes de que caiga un rayo

Si bien desde hace tiempo que los científicos entienden cómo caen los rayos a la tierra, los eventos atmosféricos precisos que los desencadenan dentro de las nubes de tormenta eran un misterio desconcertante.

Gracias a un equipo de investigadores dirigido por Victor Pasko, profesor de ingeniería eléctrica en la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación de Penn State, ubicada en Pensilvania, Estados Unidos, se reveló la poderosa reacción en cadena que lleva a la generación de los rayos.

En un estudio publicado el 28 de julio en el Journal of Geophysical Research, los autores describen cómo determinaron que fuertes campos eléctricos en las nubes de tormenta aceleran electrones.

Estos electrones, al colisionar con moléculas de aire como el nitrógeno y el oxígeno, producen rayos X e inician un diluvio de electrones adicionales y fotones de alta energía. Este proceso crea la “tormenta perfecta” de la que nacen los relámpagos.

“Nuestros hallazgos proporcionan la primera explicación precisa y cuantitativa de cómo se inician los rayos en la naturaleza. Conecta los puntos entre los rayos X, los campos eléctricos y la física de las avalanchas de electrones” dijo Pasko en un comunicado donde cuenta los hallazgos de su investigación.

El equipo utilizó modelos matemáticos para confirmar y explicar observaciones de campo de fenómenos fotoeléctricos en la atmósfera terrestre.

Se sabe que los electrones de energía relativista, originados por rayos cósmicos que entran en la atmósfera, se multiplican en los campos eléctricos de las tormentas y emiten breves ráfagas de fotones de alta energía.

Este fenómeno, conocido como destello de rayos gamma terrestre (TGF), comprende invisibles ráfagas de rayos X y emisiones de radio acompañantes de origen natural.

Zaid Pervez, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica, utilizó el modelo para hacer coincidir las observaciones de campo —recopiladas por otros grupos de investigación con sensores terrestres, satélites y aviones espía de gran altitud— con las condiciones en las nubes de tormenta simuladas.

“Explicamos cómo ocurren los eventos fotoeléctricos, qué condiciones deben estar en las nubes de tormenta para iniciar la cascada de electrones y qué está causando la amplia variedad de señales de radio que observamos en las nubes antes de que caiga un rayo”, dijo Pervez.

Pasko agregó que su investigación demuestra cómo los electrones, acelerados por fuertes campos eléctricos en las nubes de tormenta, producen rayos X a medida que chocan con moléculas de aire como el nitrógeno y el oxígeno, y “crean una avalancha de electrones que producen fotones de alta energía que inician rayos”.

Para confirmar la explicación de la iniciación de los rayos, Pervez comparó los resultados con modelos previos, estudios de observación y su propio trabajo sobre un tipo de rayo llamado descargas inter-nube compactas.

El modelo, denominado Descarga por Retroalimentación Fotoeléctrica, fue publicado por Pasko y sus colaboradores en 2023 y simula las condiciones físicas en las que es probable que se origine un rayo.

Además de desvelar la iniciación de los rayos, los investigadores explicaron por qué los destellos de rayos gamma terrestres en muchas ocasiones se producen sin destellos de luz ni ráfagas de radio, que son las firmas familiares de los rayos durante las tormentas.

“En nuestro modelado, los rayos X de alta energía producidos por las avalanchas de electrones relativistas generan nuevos electrones semilla impulsados por el efecto fotoeléctrico en el aire, amplificando rápidamente estas avalanchas”, explicó Pasko.

Esta reacción en cadena descontrolada puede ocurrir en volúmenes muy compactos y con una fuerza altamente variable, lo que lleva a niveles detectables de rayos X, pero acompañados de emisiones ópticas y de radio muy débiles.

“Esto explica por qué estos destellos de rayos gamma pueden surgir de regiones fuente que aparecen ópticamente tenues y con silencio de radio”, concluyó Pasko