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¿Pueden las partículas que llegan del espacio ayudar a que nazca un rayo en una tormenta?

Categoría: Naturaleza

Hay un pequeño misterio escondido en cada tormenta. Para que salte un rayo, el aire, que normalmente no deja pasar la electricidad, tiene que «romperse». Pero cuando los científicos miden el campo eléctrico dentro de las nubes, encuentran valores bastante más bajos de lo que haría falta [1].

La respuesta corta: una de las ideas que se estudian es que partículas del espacio, los rayos cósmicos, podrían aportar algunos de los primeros electrones muy veloces. Esos electrones, con el campo de la nube, se multiplican como una avalancha. Hay observaciones compatibles con electrones veloces en las tormentas, incluida una señal de antimateria captada por un satélite. Lo que todavía no está resuelto es si eso es lo que enciende el rayo o solo ayuda [1][5].

1. Por qué el campo eléctrico medido dentro de una nube parece demasiado débil

Según la explicación clásica, el aire se vuelve conductor cuando el campo eléctrico supera unos 2 millones de voltios por metro (2 MV/m) al nivel del mar. Entonces los electrones libres que hay en el aire empiezan a chocar con las moléculas, sueltan más electrones, y la corriente crece de golpe [1].

El problema es que todas las medidas hechas en tormentas dan valores bastante menores que esos 2 MV/m [1]. Un artículo de la revista Physics Today lo presenta como un misterio que lleva mucho tiempo abierto: ¿cómo empieza un rayo si el campo parece quedarse corto? Los electrones lentos del aire no bastan [1].

La Universidad de Kioto lo resume igual en la presentación de un equipo que estudia este tema: décadas de medidas dentro de las tormentas no han encontrado campos suficientemente grandes para producir una chispa [4]. Para entender la pista que se estudia, hay que mirar qué hace un electrón muy rápido.

2. Cómo un electrón muy veloz puede escapar del «freno» del aire y multiplicarse

Cuando un electrón atraviesa el aire, va chocando con las moléculas y perdiendo energía: es como un freno. Sin ningún campo eléctrico, un electrón de 1 MeV (un millón de electronvoltios) pierde toda su energía en unos pocos metros de aire [1].

Lo curioso es que ese freno no crece con la velocidad, como el viento en una bicicleta. En un electrón es al revés: cuanto más rápido va, menos lo frena el aire, hasta una energía de unos 1,5 MeV, donde el freno es mínimo [1]. Así que, si en la nube hay un campo eléctrico que empuje más que ese freno mínimo, un electrón lo bastante veloz ya no se detiene: sigue acelerando. Se le llama «electrón desbocado» (en inglés, runaway electron). El campo necesario, unos 200 000 voltios por metro al nivel del mar, es unas diez veces menor que el de la ruptura clásica [1].

Además, el electrón desbocado choca con moléculas del aire y arranca nuevos electrones rápidos, que también se aceleran. Así crece una avalancha, llamada «ruptura desbocada» (runaway breakdown). La idea de electrones que escapan en un campo de tormenta se atribuye a C. T. R. Wilson, en 1924, y la avalancha fue propuesta en 1992 por Gurevich, Milikh y Roussel-Dupré [1]. En el aire a presión normal, una avalancha necesita un recorrido de unos 50 metros para crecer. Por eso es difícil verla en un laboratorio, pero una nube de tormenta es mucho más grande [1].

3. De dónde salen los primeros electrones veloces: los rayos cósmicos

Una avalancha necesita una semilla: algunos electrones con energía mayor que unos 0,1 a 1 MeV. ¿De dónde salen? Una candidata son los rayos cósmicos, partículas de alta energía que llegan del espacio y chocan con el aire. El choque produce una «lluvia» de partículas secundarias. Para un rayo cósmico de 1015 electronvoltios, la lluvia contiene alrededor de un millón de electrones secundarios, con una energía media de unos 30 MeV [1].

La lluvia tiene forma de panqueque: unos pocos metros de grosor y entre 100 y 150 metros de ancho [1]. Si atraviesa una zona de la nube donde el campo es casi el crítico, los electrones veloces de esa lluvia pueden multiplicarse en una avalancha, con gran cantidad de rayos gamma y positrones [1]. Dicho de otro modo, un solo rayo cósmico podría ser el punto de partida de una avalancha mucho mayor.

Eso es la teoría. ¿Hay observaciones? Sí, y la más espectacular vino de un satélite.

4. Cómo un satélite recibió antimateria de una tormenta a 4 500 kilómetros

El telescopio espacial Fermi, de la NASA, está hecho para observar los rayos gamma del universo. Su detector también mira hacia la Tierra, y desde 2008 había identificado 130 «destellos de rayos gamma terrestres», ráfagas muy breves que salen de las tormentas [2]. Se estima que ocurren unos 500 al día en todo el planeta, aunque casi todos pasan sin ser detectados [2][3].

El 14 de diciembre de 2009, Fermi pasaba sobre Egipto. La tormenta activa estaba en Zambia, a unos 4 500 kilómetros al sur, por debajo del horizonte del satélite. Aun así, el detector registró rayos gamma de 511 000 electronvoltios, la señal de que un electrón se ha encontrado con su antipartícula, el positrón, y ambos se han aniquilado [2][3].

La explicación del equipo: el destello produjo electrones y positrones que viajaron por las líneas del campo magnético terrestre hasta el satélite. El haz siguió de largo, dio la vuelta en un punto del campo magnético y volvió a golpear a Fermi 23 milisegundos después [2]. Para el equipo, eran la primera prueba directa de que las tormentas producen haces de antimateria [2].

La explicación de cómo se forman encaja con las secciones anteriores: un campo fuerte cerca de la parte alta de la tormenta impulsa una avalancha de electrones hacia arriba, esos electrones emiten rayos gamma al desviarse en el aire, y parte de esos rayos gamma se convierte en pares de electrón y positrón que escapan [2]. Ojo: esto no significa que cada rayo produzca antimateria. Se vio en estos destellos concretos, y los científicos de la época decían que aún faltaba entender qué tienen de especial esas tormentas [2][3].

5. Qué dejó un rayo de invierno en Japón: neutrones y positrones

Los destellos no solo se ven desde el espacio. Desde 2015, un equipo de la Universidad de Kioto instaló pequeños detectores de radiación en varios puntos de la costa del mar de Japón, donde hay tormentas de invierno. En febrero de 2017, tras un rayo, detectaron señales de neutrones y de positrones [4].

Según la universidad, es la primera detección concluyente de reacciones fotonucleares provocadas por un rayo: rayos gamma tan energéticos que chocan con los núcleos de átomos del aire y los transforman [4]. Es decir, un rayo no solo hace luz y trueno. Puede actuar como un acelerador de partículas natural.

6. Si hay electrones desbocados en las nubes, ¿son ellos los que encienden el rayo?

Aquí está lo que todavía se discute. Que haya electrones veloces en las tormentas está respaldado por observaciones. Pero eso no demuestra que sean la causa del primer chispazo.

En 2013, dos físicos rusos, Gurevich y Karashtin, estudiaron las señales de radio de miles de rayos y propusieron que los rayos cósmicos, junto con gotitas de agua y partículas de hielo dentro de la nube, podrían ayudar a iniciar el rayo [5]. La revista Physics World lo presentó como una propuesta que añadía un modelo nuevo a una idea de Gurevich de hacía más de 20 años, no como un asunto cerrado [5]. En la propia explicación se admite que los científicos todavía no saben del todo qué dispara la descarga inicial [5].

Por eso la pregunta del título tiene una respuesta honesta en dos partes. Sí: los rayos cósmicos podrían aportar electrones veloces de partida para avalanchas en las nubes, y en las tormentas se han observado fenómenos compatibles con electrones y positrones veloces. Pero eso no demuestra que los rayos cósmicos los inicien. Y si ese es el detonante del rayo, o solo un ayudante, es una pregunta abierta.

7. Cómo seguir la pista de estas ideas sin salir de casa

Lo único que puedes comprobar tú mismo es la distancia. En la próxima tormenta, quédate dentro de casa, lejos de las ventanas, y cuenta los segundos entre el destello y el trueno. El sonido avanza más o menos un kilómetro cada 3 segundos, así que dividiendo entre 3 tienes la distancia en kilómetros. No salgas a mirar.

Para leer más, hay una crónica en español del diario ABC sobre el hallazgo de Fermi [3]. En inglés, el reportaje de Physics Today sobre la ruptura desbocada es la explicación más completa de las avalanchas [1]. Y una pregunta para llevarte: si los rayos cósmicos llegan siempre, ¿por qué no cae un rayo cada vez que pasan por una nube cargada? Nadie lo sabe aún con certeza.

Fuentes

  1. Gurevich, A. V. y Zybin, K. P., «Runaway Breakdown and the Mysteries of Lightning», Physics Today (revista de la American Institute of Physics), DOI 10.1063/1.1995746 https://physicstoday.aip.org/features/runaway-breakdown-and-the-mysteries-of-lightning (En inglés. Leído un extracto largo de la mayor parte del texto: campo de ruptura clásica de 2 MV/m, campo crítico de unos 200 kV/m, freno mínimo hacia 1,5 MeV, semilla de 0,1 a 1 MeV, longitud de avalancha de unos 50 m, lluvia de rayos cósmicos de 10^15 eV con unos 10^6 electrones de unos 30 MeV, forma de panqueque de pocos metros de grosor y 100–150 m de ancho. No se leyeron las secciones finales ni las referencias. La web no indica el año; se trata de un artículo de la revista, no de una nota de prensa.)
  2. AGU (American Geophysical Union), nota de prensa «Spacecraft catches thunderstorms hurling antimatter into space», 10 de enero de 2011 https://news.agu.org/press-release/spacecraft-catches-thunderstorms-hurling-antimatter-into-space/ (En inglés. Leída completa. Es una nota de prensa sobre un artículo (Briggs y otros) que entonces aún no estaba publicado; no se pudo abrir el artículo original.)
  3. ABC (España), «Las tormentas de la Tierra lanzan antimateria al espacio», 11 de enero de 2011 https://www.abc.es/ciencia/abci-tormentas-tierra-lanzan-antimateria-201101110000_noticia.html (En español. Leído el extracto inicial: unos 500 destellos al día, 511 000 eV, 14 de diciembre de 2009, Egipto y Zambia, 4 500 km. Es prensa que resume la nota de la AGU, no una fuente independiente.)
  4. Universidad de Kioto, Facultad de Ciencias, «Nuclear reactions triggered by lightning» (perfil de Teruaki Enoto) https://sci.kyoto-u.ac.jp/en/research/activities-ph/1803-teruakienoto (En inglés. Leído un extracto de la primera parte: campos medidos insuficientes, detectores desde 2015 en la costa del mar de Japón, febrero de 2017, neutrones y positrones, y la frase «first conclusive detection of photonuclear reactions triggered by lightning». El artículo científico original (Nature, 2017) no se pudo abrir; no se leyó el resto de esta página.)
  5. Physics World, «New insights into what triggers lightning», 7 de mayo de 2013 https://physicsworld.com/a/new-insights-into-what-triggers-lightning/ (En inglés. Leído solo el comienzo (unas 3 500 letras): resumen de la propuesta de Gurevich y Karashtin con gotitas de agua y hielo. No se pudo abrir el artículo original de Physical Review Letters (110, 185005) ni su sinopsis, y por eso este artículo no da cifras de ese estudio.)