Tormenta de 1.000 millones de voltios es descubierta con telescopio de muones (V.2, N.5, P.2, 2019)

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#accesibilidad Fotografía de Mike Lehmann de un rayo sobre una ciudad suiza, 4 de marzo de 2007.

A cada instante ocurren cerca de 2.000 tempestades, produciendo, aproximadamente, 100 relámpagos por segundo que alcanzan algún lugar de la superficie de la Tierra. La mayoría de las tormentas de rayos ocurren en las zonas tropicales y Brasil es considerado el país de mayor incidencia de rayos en el mundo, alcanzando la marca de 100 millones de rayos al año. En el inicio de la historia de la Tierra, hubo un período de mayor intensidad: durante la era Hadeana (entre 4 y 4,6 mil millones de años atrás), después de que la corteza terrestre se solidificase, el agua comenzó a acumularse en los océanos y la atmósfera, y una tempestad de escala planetaria — el verdadero diluvio — irrumpió en toda la atmósfera primordial, durando varios millones de años. Se cree que fueron los relámpagos de esta supertempestad la fuente de energía para las reacciones químicas que llevaron a la formación de los primeros aminoácidos y de la vida en nuestro planeta.

Las antiguas civilizaciones daban explicaciones sobrenaturales para los relámpagos y los truenos. En la mitología griega, los rayos eran el arma de Zeus, el dios de los dioses, y Pegasus, el caballo alado, su portador. En la mitología hindú, Indra era el dios de los relámpagos, los truenos y el cielo. En la mitología nórdica, el dios del trueno era Thor, que enviaba rayos arrojando su martillo mijöllnir y éste después regresaba a sus manos como un bumerán. Para algunos nativos de América del Norte, los truenos y los rayos eran creados por un petrel mitológico, el “pájaro-trueno” que producía truenos al golpear las alas y relámpagos al parpadear los ojos.

El primer científico que dio una explicación racional para los rayos — y su conexión con la electricidad — fue Benjamin Franklin (1706-1790), científico, periodista, diplomático e inventor estadounidense que condujo una serie de experimentos, como el célebre y peligroso experimento de la pipa de 1752, que, entre otros hechos, lo llevó a la invención de los para-rayos. Después de observar las semejanzas entre las chispas y los rayos: ambos producen luz, sonidos de estallidos y siguen trayectorias en zigzag; Franklin concluyó que los rayos eran nada menos que enormes chispas producidas en la atmósfera por las nubes de tempestad.

Los rayos pueden ser clasificados en nube-suelo, suelo-nube, nube-cielo (o nube-aire) o nube-nube, de acuerdo con sus puntos de producción y de término, o, aún, en rayos positivos o negativos, de acuerdo con la polaridad de las cargas que se transfieren. Entre las razones para el surgimiento de las cargas eléctricas están las ionizaciones de las moléculas del aire causadas por radiaciones de elementos radiactivos, por los rayos ultravioleta del Sol, o por los rayos cósmicos. Típicamente, las cargas positivas se acumulan entre 6 y 7 km y las negativas entre 3 y 4 km de altitud, de tal forma que la diferencia de potencial entre la parte positiva y la negativa de la nube alcanza la casa de los cientos de millones de voltios. En el año 1925, el físico y meteorólogo escocés Charles TR Wilson (1869-1959), que realizó diversos estudios sobre electricidad atmosférica y sobre ionizaciones del aire, ya predijo que estas tensiones podrían alcanzar escalas de miles de millones de voltios en nubes de tormenta con varios kilómetros de altura. Sin embargo, su previsión nunca había sido probada porque los globos y los aviones usados en tales medidas no son capaces de medirlas en escalas tan largas.

De hecho, fue con un globo meteorológico que, en 1984, fue medida, en una tormenta sobre Nuevo México (EEUU), la tensión hasta entonces récord de 130 MV (megavolts, o millones de voltios). Pero ahora, un equipo de físicos indios y japoneses utilizó el experimento GRAPES-3, un telescopio de muones del Instituto Tata de Investigación Fundamental, en Mumbai (India), para medir las tensiones entre nubes enteras. Múons son partículas generadas en la atmósfera en las interacciones de los rayos cósmicos; se cargan (μ+ o μ-) y, por lo tanto, se aceleran en campos eléctricos. Así, menos muones deben ser detectados por el GRAPES-3 cuando las nubes de tormenta están cerca, lo que fue verificado por el equipo al estudiar 184 tormentas a lo largo de tres años. Usando este modelo para interpretar las medidas del flujo de los muones, se dedujo un voltaje 10 veces mayor: de 1,3 GV (gigavolts, o miles de millones de voltios), durante una tormenta, en diciembre de 2014, confirmando la previsión de Wilson y estableciendo el nuevo récord de tensiones atmosféricas.

#accesibilidad El telescopio de muones GRAPES-3 del Instituto Tata para la Investigación Fundamental en Mumbai (India)

Con esto, otro misterioso fenómeno ganó una explicación. Científicos japoneses descubrieron recientemente que pulsos electromagnéticos de alta energía (rayos gamma con energías superiores a 10 mega electrones-voltios) precedían a la emisión de relámpagos. De acuerdo con sus cálculos, las tensiones atmosféricas, observadas anteriormente, no serían capaces de producir las aceleraciones capaces de generar estas radiaciones, solamente rayos gamma de energía menor o rayos X, pero la tensión medida en la tempestad de 2014 por el GRAPES-3 es lo suficientemente grande para generar los rayos gamma de alta energía. Los investigadores del GRAPES-3 planean ahora instalar detectores de rayos gamma, permitiéndoles captarlos en coincidencia con las tormentas de escala de gigavolt.

El estudio fue publicado en Physical Review Letters.

Fuentes:

Fuente de la imagen destacada: Mike Lehmann, Mike Switzerland 13:43, 4 March 2007 (UTC) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

Fuente de la imagen 1: sitio del GRAPES-3

Vernon Cooray, An Introduction to Lightning, Springer (2015);

https://super.abril.com.br/comportamento/brasil-o-pais-dos-100-milhoes-de-raios/

http://www.inpe.br/webelat/homepage/menu/el.atm/os.raios.e.a.origem.da.vida.php

https://en.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Franklin

https://tempojoaopessoa.jimdo.com/raios/tipos-de-raios/

http://www.fisica.net/eletricidade/eletricidade-na-atmosfera.php

https://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Thomson_Rees_Wilson

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1029/2000JD900640