Cómo nacen los rayos: el nuevo hallazgo que explica paso a paso las tormentas eléctricas

La física atmosférica estudia fenómenos eléctricos extremos como los rayos y los destellos de rayos gamma terrestres (TGFs, por sus siglas en inglés), que son breves emisiones de radiación gamma de alta energía originadas en la atmósfera terrestre durante tormentas eléctricas. Estos sucesos, aunque visibles y potentes, generan preguntas sobre su mecanismo de inicio y el proceso que determina sus manifestaciones en la atmósfera.

La búsqueda de una teoría robusta abrió múltiples caminos, pero hasta ahora faltaba una explicación integral y cuantitativa que conectara estos episodios eléctricos. Un equipo internacional de científicos, liderado por Victor P. Pasko desde la Universidad Estatal de Pensilvania, publicó recientemente un trabajo al respecto en el Journal of Geophysical Research: Atmospheres. Este artículo introduce una nueva perspectiva en la comprensión de los rayos y TGFs, ya que propone un modelo físico unificado que es respaldado por simulaciones avanzadas y observaciones recientes.

Claves para entender cómo se originan los rayos y los destellos gamma

El estudio muestra que el efecto fotoeléctrico, un proceso en el que la luz libera electrones de los átomos al chocar con ellos, es clave para entender cómo se desarrollan los increíbles fenómenos eléctricos que ocurren en las tormentas.

Los autores proponen que un mecanismo llamado retroalimentación fotoeléctrica es responsable de multiplicar en pocos instantes una enorme cantidad de electrones relativistas. Estos tienen tanta energía que se desplazan a velocidades cercanas a la de la luz.

Durante una tormenta, los campos eléctricos muy intensos aceleran electrones a gran velocidad. Cuando estas partículas chocan contra las moléculas que forman el aire, como el nitrógeno y el oxígeno, producen fotones de alta energía (como rayos X y rayos gamma). Parte de estos fotones se mueven en sentido contrario a los electrones y, cuando el aire los atrapa, provocan que surjan nuevos electrones muy energéticos, gracias al efecto fotoeléctrico. De esta manera, se genera una especie de efecto dominó donde cada interacción contribuye a que la cantidad de electrones crezca rápidamente.

Este fenómeno crea lo que se conoce como avalancha electrónica, donde la cantidad de partículas crece a una velocidad explosiva. El modelo matemático y las simulaciones computacionales permiten reproducir situaciones observadas en la realidad, como la oscuridad óptica (cuando estos destellos no generan luz visible detectable) y el silencio radioeléctrico (cuando no se producen señales de radio perceptibles). Es decir, se confirman casos en los que los destellos de rayos gamma terrestres aparecen en la atmósfera sin que podamos verlos ni captarlos con instrumentos comunes.

El mecanismo propuesto también ayuda a explicar diferentes tipos de pulsos eléctricos que los científicos identificaron dentro de las tormentas, como los pulsos de ruptura inicial (IBPs), los eventos bipolares estrechos (NBEs) y los pulsos energéticos en nube (EIPs).

Los IBPs son pequeñas descargas que preceden a los rayos, los NBEs son pulsos eléctricos muy rápidos y potentes que, a simple vista, a menudo pasan desapercibidos, y los EIPs son versiones más intensas de los IBPs. El hallazgo muestra que todos estos fenómenos, aunque se vean diferentes, son manifestaciones de un mismo proceso físico.

Cómo se realizó el estudio: métodos y validación experimental

El avance se sustenta en simulaciones completamente dependientes del tiempo, es decir, modelos computacionales que reproducen el desarrollo de los fenómenos eléctricos segundo a segundo como ocurren en la atmósfera real. Utilizan datos de observaciones aéreas y desde tierra para validar las hipótesis propuestas.

Mediante la combinación de observaciones directas y modelado matemático, los científicos demuestran que la retroalimentación fotoeléctrica predice no solo eventos intensos y visibles, sino también aquellos que permanecen ocultos al ojo y a los instrumentos convencionales. La variabilidad de estos procesos depende de factores como la intensidad del campo eléctrico, la densidad del aire y la altitud en la que ocurren.

Nuevos horizontes para la física atmosférica

La nueva descripción del inicio de los rayos y la producción de TGFs representa un paso trascendental para la física atmosférica y la meteorología. El modelo desarrollado por los investigadores no solo explica cómo se originan estos fenómenos eléctricos, sino que aporta una herramienta fundamental para comprender su variabilidad bajo distintas condiciones del ambiente, como la altitud y la densidad del aire.

Esto es posible gracias a las leyes de similitud derivadas del estudio. Son reglas matemáticas que permiten relacionar los resultados de las simulaciones con diferentes escenarios atmosféricos. Por ejemplo, establecen cómo cambian el tiempo de desarrollo, el tamaño del área afectada, la intensidad del campo eléctrico y la emisión de rayos gamma a medida que la densidad del aire disminuye o la altitud aumenta. Así, es posible anticipar cómo serán los eventos eléctricos en diversas regiones del planeta a partir de las mismas bases físicas encontradas en el modelo.

Además, este mecanismo abre camino a la exploración de interacciones entre rayos, TGFs y procesos de ionización de la atmósfera superior o la química atmosférica. El entendimiento profundo de estos fenómenos permitirá planificar estudios innovadores para analizar cómo la radiación de alta energía de las tormentas puede influir en el entorno planetario.