Cómo se originan los sorprendentes relámpagos en las erupciones volcánicas: las revelaciones de un estudio

El enigma de los relámpagos volcánicos, uno de los fenómenos naturales más espectaculares y menos comprendidos, se acerca a una explicación definitiva gracias a un avance científico reciente.

Un equipo internacional logró identificar el mecanismo que convierte a las columnas de ceniza de los volcanes en generadoras de descargas eléctricas, un hallazgo que cambia la perspectiva sobre la electrificación en ambientes extremos.

La erupción del Hunga Tonga-Hunga Ha’apai, en el archipiélago de Tonga en 2022, puso nuevamente en primer plano el misterio. Durante ese evento, los sensores registraron más de 2600 relámpagos por minuto y columnas de ceniza que se elevaron hasta 31 kilómetros por encima del nivel del mar, una cifra sin precedentes.

Las imágenes de tormentas eléctricas sobre erupciones asombran por su intensidad, pero detrás de esa belleza se esconde un proceso físico que permanecía sin explicación.

Hasta ahora, los científicos sabían que las tormentas eléctricas convencionales se cargan por la interacción entre cristales de hielo y partículas de granizo blando. El hielo adquiere carga positiva y el granizo, negativa. Este intercambio, en presencia de agua y movimientos ascendentes, desencadena la acumulación de potencial eléctrico y termina en la descarga de rayos.

Pero en las columnas volcánicas, donde el agua líquida está ausente y predominan partículas secas de roca y ceniza, ese mecanismo no funcionaba. Los intentos de reproducir el fenómeno en laboratorio con partículas puras de sílice tampoco daban resultados: las colisiones entre fragmentos del mismo material no lograban generar la separación de cargas necesaria.

La clave surgió de una investigación publicada en la revista Nature por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA), que permitió identificar el papel crítico de un recubrimiento superficial de carbono.

El equipo observó que “las partículas de sílice perfectamente limpias no tendían a acumular carga, pero donde existía un recubrimiento de carbono, se producía una transferencia de carga por colisiones”. Así, el carbono, que se adhiere a las partículas desde el aire durante el ascenso por la columna volcánica caliente, resulta el factor que rompe la simetría y permite la electrificación.

Para llegar a esta conclusión, los científicos utilizaron esferas y placas de dióxido de silicio amorfo, representando el material típico de la ceniza volcánica. Experimentaron con diferentes tratamientos superficiales: horneado, exposición a plasma y control de la contaminación por carbono.

“Aunque la polaridad de carga es aleatoria para muestras preparadas conjuntamente, la controlamos con horneado o tratamiento de plasma”, explica el estudio. Al medir la transferencia de carga y comparar los resultados con técnicas avanzadas como espectrometría de masas y dispersión de iones, el equipo demostró que la presencia de carbono adventicio, es decir, moléculas orgánicas externas, definía el comportamiento eléctrico.

La electrificación por contacto, o CE, es un proceso común en la naturaleza. Los óxidos aislantes como el dióxido de silicio son uno de los materiales sólidos más abundantes en el universo y su capacidad de transferir carga explica fenómenos que van desde tormentas de polvo en el desierto hasta la formación de nubes de ceniza en erupciones.

Pero el parámetro que causa la ruptura de simetría entre fragmentos del mismo material era desconocido. El estudio lo define con claridad: “Las moléculas carbonáceas adventicias adsorbidas del entorno son el factor de ruptura de simetría en la electrificación por contacto de óxidos del mismo material”.

El impacto del hallazgo en la física de lo extremo

Las implicancias de este hallazgo llegan mucho más allá de las erupciones volcánicas. El carbono adventicio, un contaminante ambiental, no solo determina la transferencia de carga entre partículas idénticas, sino que también puede influir en el intercambio entre diferentes óxidos. “Confirmamos que el carbono adventicio puede incluso determinar el intercambio de carga entre diferentes óxidos”, indican los autores. El fenómeno afecta procesos tanto en la atmósfera como en la industria y la ingeniería de materiales.

El experimento decisivo consistió en medir la carga eléctrica que intercambian esferas y placas de sílice bajo condiciones controladas. El equipo empleó levitación acústica para evitar el contacto con otras superficies y poder estudiar el fenómeno de manera aislada. Al eliminar o agregar carbono en la superficie de las muestras, los investigadores observaron cómo cambiaba la polaridad y la magnitud de la carga transferida. La correlación fue inequívoca: la cantidad de carbono superficial determina el comportamiento eléctrico.

El calor y la dinámica de las columnas volcánicas crean las condiciones óptimas para que las partículas de sílice acumulen carbono a medida que ascienden.

“Este efecto podría producirse simplemente calentando la sílice, ya que el aire común contiene suficientes moléculas con carbono como para generar contaminación superficial”, detallaron los autores. Una vez que las partículas se cargan, las colisiones repetidas en la nube de ceniza amplifican la separación de cargas y favorecen la acumulación de potencial eléctrico. Cuando la diferencia de potencial supera un umbral crítico, se produce la descarga y aparecen los relámpagos que caracterizan a las grandes erupciones.

La erupción del Hunga Tonga-Hunga Ha’apai sirvió como laboratorio natural para validar la teoría. La intensidad del evento y la altitud alcanzada por la columna de ceniza generaron condiciones extremas que, sumadas a la abundancia de moléculas orgánicas en la atmósfera, dispararon una actividad eléctrica sin precedentes. Las observaciones satelitales y las mediciones de campo confirmaron que la frecuencia y altura de los relámpagos superaron todos los registros previos.

Nuevos horizontes para la comprensión de fenómenos eléctricos

El descubrimiento del ISTA abre nuevas preguntas sobre cómo los contaminantes ambientales pueden influir en otros procesos naturales y tecnológicos. “El calor y la corriente ascendente de una columna volcánica crean las condiciones perfectas para la carga eléctrica, de ahí los espectaculares espectáculos de relámpagos”, resaltan los investigadores.

Este mecanismo podría estar involucrado en la formación de rayos en tormentas de polvo o en la generación de electricidad estática en entornos áridos, además de tener aplicaciones en la gestión de riesgos industriales donde la acumulación de carga representa un peligro.

Los resultados también obligan a revisar experimentos y modelos previos sobre electrificación de materiales, que muchas veces no consideraron el impacto de contaminantes superficiales. Desde la predicción de tormentas hasta la fabricación de sensores y dispositivos, este hallazgo impulsa nuevas líneas de investigación y desarrollo.

El avance logrado no solo resuelve una incógnita histórica en la física, sino que también proporciona herramientas para comprender mejor la seguridad aérea y la monitorización de erupciones volcánicas. La confirmación de que el carbono es el factor decisivo en la generación de rayos volcánicos representa un paso clave para anticipar y gestionar riesgos asociados a fenómenos atmosféricos extremos.

A partir de ahora, la física de fenómenos extremos cuenta con un parámetro nuevo e inesperado: la contaminación por carbono en las partículas de óxidos aislantes.

El conocimiento de este factor permitirá no solo explicar los rayos volcánicos, sino también abordar otros desafíos en la investigación de procesos eléctricos en ambientes naturales y artificiales. El trabajo del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria marca un antes y un después en la comprensión de uno de los espectáculos más impactantes de la naturaleza.