Científicos logran explicar cómo nace un rayo y la clave está en los rayos X dentro de la tormenta
Avalanchas y electrones - Mediante modelos matemáticos que simulan los campos eléctricos en nubes de tormenta, los investigadores reproducen cómo los electrones acelerados desencadenan avalanchas de partículas y radiación que culminan en la descarga eléctrica
El misterioso impacto de un rayo cósmico ultraenergético contra la Tierra: no hay nada en el lugar del que procede
Un satélite ruso registró en 1994 una ráfaga de rayos gamma terrestre mientras orbitaba sobre Sudamérica. La señal, intensa y fugaz, se coló entre los datos sin que los técnicos supieran aún qué estaban viendo. Nadie imaginaba que aquella anomalía espacial escondía una pieza que faltaba en el puzle de los rayos. Tres décadas después, ese mismo fenómeno se ha convertido en una pista decisiva para explicar uno de los procesos más complejos de la atmósfera.
Un equipo logró reproducir las reacciones físicas que generan un rayo dentro de una nube
El grupo de investigadores dirigido por Victor Pasko, profesor de Ingeniería Eléctrica en la Universidad Estatal de Pensilvania, ha conseguido simular con éxito la cadena de reacciones físicas que da lugar a la formación de un rayo. El estudio, publicado en el Journal of Geophysical Research, se basa en modelos matemáticos que reproducen las condiciones eléctricas de una nube de tormenta.
Según explican, los fuertes campos eléctricos aceleran electrones que, al chocar con moléculas de aire como el oxígeno o el nitrógeno, generan rayos X y una avalancha de partículas de alta energía. Esa secuencia, invisible y extremadamente rápida, termina por desencadenar la descarga.
Uno de los aspectos más llamativos del estudio es que resuelve también otro interrogante que llevaba tiempo abierto: por qué hay destellos de rayos gamma que no van acompañados de luz visible ni de señales de radio detectables. Estos pulsos, conocidos como TGF por sus siglas en inglés, han sido observados por satélites y aviones a gran altitud, pero su mecanismo de origen seguía sin aclararse.
Las simulaciones realizadas por el equipo de Pasko apuntan a que los rayos X generados por los electrones acelerados pueden, a su vez, liberar nuevos electrones mediante el efecto fotoeléctrico. Este proceso refuerza de forma inmediata la avalancha y activa la descarga sin que haya necesidad de señales ópticas o radioeléctricas intensas.
Un modelo matemático avanzado permite calcular las condiciones que generan descargas en las nubes
Para llegar a estas conclusiones, los investigadores se apoyaron en un modelo denominado Photoelectric Feedback Discharge, desarrollado en 2023. Se trata de una herramienta matemática que permite calcular las condiciones físicas que deben producirse en una nube para que se genere una descarga. En este trabajo, Pasko y sus colaboradores han integrado además los llamados fenómenos de retroalimentación, que explican cómo una pequeña señal puede amplificarse rápidamente cuando las condiciones son favorables.
Según detalla el propio Pasko en un comunicado recogido por Penn State, “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”.
Otro de los miembros del equipo, Zaid Pervez, estudiante de doctorado en Ingeniería Eléctrica, comparó los datos obtenidos con estudios anteriores, tanto teóricos como de campo. En su análisis, explicó que “los fenómenos fotoeléctricos se producen cuando las condiciones eléctricas dentro de la nube alcanzan un umbral determinado, lo que permite iniciar la cascada de electrones”. Además, detalló que el modelo logra explicar la gran variedad de señales de radio que se detectan justo antes de un rayo, un elemento que hasta ahora tampoco estaba del todo claro.
El modelo también sirve para entender otros fenómenos eléctricos menos conocidos, como los llamados narrow bipolar events, pulsos compactos de alta energía que se producen en el interior de las nubes y que, en muchos casos, no generan relámpagos visibles. Todos estos fenómenos parecen compartir un origen común basado en los efectos de retroalimentación generados por los rayos X.
Según los autores, la gran novedad de este trabajo radica en haber conseguido una simulación completa de estos procesos, con resultados que coinciden tanto con los datos teóricos como con las observaciones recogidas por sensores terrestres, aviones espía y satélites.
Los resultados podrían revolucionar la predicción de tormentas eléctricas y sus señales internas
La Universidad Estatal de Pensilvania destaca que este avance podría mejorar los modelos de predicción de tormentas eléctricas, al permitir identificar las señales internas que preceden a una descarga. Hasta ahora, la mayoría de los modelos meteorológicos se basaban únicamente en la observación de rayos visibles o en señales de radio, sin tener en cuenta los procesos invisibles que se desarrollan dentro de las nubes.
A pesar de que estos destellos de rayos gamma solo duran unos microsegundos, su detección en órbita baja ha sido fundamental para confirmar lo que sucede dentro de una tormenta antes de que salte el primer rayo. En ese momento, la atmósfera se asemeja más a un motor en funcionamiento que a un fenómeno meramente natural.