Se explican los eventos atmosféricos que provocan los rayos

Un equipo de investigadores de la Universidad de Penn State ha revelado en 'Journal of Geophysical Research' la poderosa reacción en cadena que desencadena los rayos.

Los autores determinan que los fuertes campos eléctricos en las nubes de tormenta aceleran los electrones que chocan con moléculas como el nitrógeno y el oxígeno, produciendo rayos X e iniciando un diluvio de electrones adicionales y fotones de alta energía: la tormenta perfecta de la que nacen los rayos.

Cabe recordar que, aunque los científicos han comprendido desde hace tiempo cómo caen los rayos, los fenómenos atmosféricos precisos que los desencadenan dentro de las nubes de tormenta seguían siendo un misterio desconcertante.

"Nuestros hallazgos proporcionan la primera explicación precisa y cuantitativa de cómo se originan los rayos en la naturaleza", informa en un comunicado Victor Pasko, profesor de ingeniería eléctrica en la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación de Penn State. "Conectan los rayos X, los campos eléctricos y la física de las avalanchas de electrones".

El equipo utilizó modelos matemáticos para confirmar y explicar las observaciones de campo de fenómenos fotoeléctricos en la atmósfera terrestre: cuando los electrones de energía relativista, generados por los rayos cósmicos que entran en la atmósfera desde el espacio exterior, se multiplican en los campos eléctricos de las tormentas eléctricas y emiten breves ráfagas de fotones de alta energía. Este fenómeno, conocido como destello terrestre de rayos gamma, comprende las ráfagas invisibles de rayos X y las emisiones de radio que las acompañan.

"Al simular condiciones con nuestro modelo que replicaban las condiciones observadas en el campo, ofrecimos una explicación completa de los rayos X y las emisiones de radio presentes en las nubes de tormenta", apunta Pasko. "Demostramos cómo los electrones, acelerados por fuertes campos eléctricos en las nubes de tormenta, producen rayos X al colisionar con moléculas de aire como el nitrógeno y el oxígeno, creando una avalancha de electrones que produce fotones de alta energía que inician los rayos".

Por su parte, Zaid Pervez, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica, utilizó el modelo para hacer coincidir las observaciones de campo (recopiladas por otros grupos de investigación que utilizan sensores terrestres, satélites y aviones espías de gran altitud) con las condiciones de las nubes de tormenta simuladas.

"Explicamos cómo ocurren los eventos fotoeléctricos, qué condiciones deben darse en las nubes de tormenta para iniciar la cascada de electrones y qué causa la amplia variedad de señales de radio que observamos en las nubes, todo ello antes de la caída de un rayo", detalla Pervez. "Para confirmar nuestra explicación sobre la iniciación de los rayos, comparé nuestros resultados con modelos previos, estudios de observación y mi propio trabajo sobre un tipo de rayo llamado descargas internubladas compactas, que suelen ocurrir en pequeñas regiones localizadas en las nubes de tormenta".

Además de descubrir el inicio de los rayos, los investigadores explicaron por qué los destellos de rayos gamma terrestres a menudo se producen sin destellos de luz ni ráfagas de radio, que son características habituales de los rayos durante las tormentas.

"En nuestro modelo, los rayos X de alta energía producidos por avalanchas de electrones relativistas generan nuevos electrones semilla impulsados por el efecto fotoeléctrico en el aire, lo que amplifica rápidamente estas avalanchas", señala Pasko.

"Además de producirse en volúmenes muy compactos, esta reacción en cadena descontrolada puede ocurrir con una intensidad muy variable, lo que a menudo genera niveles detectables de rayos X, acompañados de emisiones ópticas y de radio muy débiles. Esto explica por qué estos destellos de rayos gamma pueden surgir de regiones fuente que parecen ópticamente tenues y radiosilentes", finaliza.