Destellos azules producidos por descargas eléctricas frías

 

A diferencia de los rayos, estas descargas eléctricas activan muy eficientemente ciertas reacciones químicas que pueden producir óxido nitroso y ozono, gases que contribuyen al efecto invernadero. El estudio, encabezado por investigadores del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), ha sido posible gracias a los datos proporcionados por la misión espacial ASIM de la Agencia Espacial Europea (ESA).

 

IAA / La familia de fenómenos eléctricos que se producen en nuestra atmósfera, que durante siglos se creía formada solo por los rayos de tormenta, sigue creciendo: hace unas tres décadas se descubrieron los Eventos Luminosos Transitorios, una serie de eventos luminosos muy rápidos relacionados con los rayos y que suelen ocurrir decenas de kilómetros sobre las nubes; y en 1994 se descubrieron los estallidos de rayos gamma terrestres, que se originan en la parte alta de las nubes de tormenta y que fueron un hallazgo inesperado, ya que hasta ese momento se pensaba que la radiación gamma solo procedía del espacio exterior. Ahora, un estudio confirma la presencia de un tipo de descargas eléctricas frías dentro de las nubes, que producen destellos azules y emisiones pulsadas en radio.

El estudio confirma la presencia de un tipo de descargas eléctricas frías dentro de las nubes, que producen destellos azules y emisiones pulsadas en radio

Las emisiones pulsadas en radio procedentes de las nubes, de carácter bipolar y muy rápidas, se hallaron en los años 80 del siglo pasado. “Solo recientemente, en 2016, un trabajo sugería que estos pulsos bipolares podían ser el resultado de procesos muy rápidos típicos de descargas frías, es decir, aquellas que, al contrario que los rayos, no calientan el aire circundante –señala Sergio Soler, investigador del IAA-CSIC que encabeza la investigación–. Pero su origen seguía siendo incierto: en 2013, el satélite FORTE detectó una serie de destellos ópticos que parecían estar asociadas a estos pulsos bipolares de radio, pero no pudo averiguarse si se trataba de rayos o de otro tipo de descarga eléctrica”.

La investigación llevada a cabo por el grupo de electricidad atmosférica (TRAPPA) del Instituto de Astrofísica de Andalucía ha resuelto esta incógnita al detectar, por primera vez de manera simultánea, destellos azules y emisión bipolar pulsada en radio procedente de las nubes de tormenta. Las detecciones ópticas han sido posibles gracias al instrumento ASIM, instalado en la Estación Espacial Internacional, y la ausencia de brillo en el rango típico de los rayos ha permitido confirmar que, en efecto, se trata de un tipo de descargas eléctricas naturales cuya formación y presencia en las nubes de tormenta se sospechaba.

Tormenta fotografiada desde la Estación Espacial Internacional por el astronauta Andreas Mogensen de ESA en 2015. El panel sobreimpresionado corresponde a una de las imágenes captadas por la cámara 337 nm de ASIM de una de las descargas tipo corona que forman parte del estudio del IAA. Créditos: ESA y Soler et al. (2020): https://doi.org/10.1029/2020JD032708).

“Nuestros datos señalan que se trata de descargas eléctricas frías, formadas por filamentos de aire ionizado, o plasma, en los que la temperatura de los electrones es muy elevada, más de 70000 grados, aunque la temperatura del aire es la del ambiente. Específicamente serían descargas de tipo corona, que cuando se estudian en el laboratorio se caracterizan por su aspecto filamentoso y su color azulado (emiten en el azul y en el ultravioleta cercano), y que también se producen en condiciones cotidianas, como en los tendidos de alta tensión o en los pararrayos”, señala Francisco J. Gordillo Vázquez, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) que coordina el estudio.

Este tipo de descargas muestran un gran desequilibrio térmico, de hasta decenas de miles de grados, entre la temperatura del aire ambiental y la de los electrones dentro del filamento de plasma, y debido a ello pueden activar reacciones químicas especiales en la atmósfera: así, en tanto que los rayos (o descargas térmicas) producen óxidos de nitrógeno y algo de ozono, estas descargas frías producen cantidades significativas de óxido nitroso y ozono.

“El óxido nitroso tiene un potencial de calentamiento global unas trescientas veces superior al del dióxido de carbono y tiende a eliminar el ozono ambiental, de modo que su cuantificación precisa y el conocimiento de sus fuentes y sumideros en la atmósfera resulta fundamental”, apunta Francisco J. Gordillo Vázquez (IAA-CSIC).

Evolución de una descarga tipo corona (filamentos en falso color oscuro) producida en el laboratorio y analizada en una escala de tiempos de decenas de nanosegundos entre dos electrodos separados por una distancia de 127 cm. En la imagen inferior derecha se observa un arco eléctrico formado (canal naranja) similar al canal de un rayo que surge a partir de los cientos de filamentos de la descarga corona. Créditos: Kochkin et al. (2014): https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/14/145203.

Estos destellos, que tuvieron lugar durante el vuelo de ASIM sobre una intensa tormenta eléctrica ocurrida en Indonesia en 2019, resuelven el origen de los pulsos bipolares de radio, pero plantean una serie de preguntas sobre las propiedades de las descargas de tipo corona en las nubes, sobre sus procesos de formación, dinámica temporal y posible influencia química en nuestra atmósfera.

“Nuestro trabajo ha abierto la puerta a la posibilidad de mapear cómo de abundantes son, en qué circunstancias (o entorno eléctrico) se producen y cuál puede ser su distribución geográfica global (dónde se producen), un asunto en el que estamos trabajando y sobre el que muy poco se sabe a día de hoy”, concluye Gordillo Vázquez (IAA-CSIC).

Referencia bibliográfica: 
S. Soler et al. “Blue optical observations of narrow bipolar events by ASIM suggest corona streamer activity in thunderstorms”. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 125, e2020JD032708. https://doi.org/10.1029/2020JD032708

 

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