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Confirmado un nuevo fenómeno eléctrico en la atmósfera: destellos azules por descargas eléctricas frías

Con ayuda de un instrumento de la estación espacial internacional y sensores terrestres, investigadores del Instituto de Astrofísica de Andalucía han detectado por primera vez la emisión simultánea de destellos azules y pulsos de radio en nubes de tormenta. Estos raros eventos se producen por descargas eléctricas formadas por filamentos de plasma o aire ionizado que, en lugar de ser calientes como las de los rayos, son frías.

Tormenta fotografiada desde la Estación Espacial Internacional 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 de este estudio. / ESA y Soler et al. (2020)

La familia de fenómenos eléctricos que se producen en nuestra atmósfera, que durante siglos se creía formada solo por los diversos tipos de rayos que se producen durante las tormentas, no deja de crecer.

Hace unas tres décadas se descubrieron los Eventos Luminosos Transitorios (TLE, por sus siglas en inglés, como los ‘elfos’ o anillos de luz ultravioleta, los ‘duentes’ con forma de zanahoria y los chorros o jets azules), una serie de eventos luminosos muy rápidos relacionados con los rayos y que suelen ocurrir decenas de kilómetros sobre las nubes.

En 1994 se descubrieron también los estallidos de rayos gamma terrestres (TGF), los fenómenos más violentos de la atmósfera de la Tierra. Se originan en la parte alta de las nubes de tormenta y fueron un hallazgo inesperado, ya que hasta ese momento se pensaba que la radiación gamma solo procedía del espacio exterior.

Con la ayuda de un instrumento de la Estación Espacial Internacional y sensores terretres, se confirma la presencia de un tipo de descargas eléctricas frías (no calientes como las de los rayos) dentro de las nubes, que producen a la vez destellos azules y emisiones pulsadas en radio

Ahora, un estudio liderado por investigadores del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y publicado en el Journal of Geophysical Research - Atmospheres, confirma la presencia de un tipo de descargas eléctricas frías (no calientes como las de los rayos) dentro de las nubes. Como resultado, se producen a la vez destellos azules y emisiones pulsadas en radio, que los autores han podido detectar.

Estas emisiones o eventos de radio (narrow bipolar events o NBE en inglés) procedentes de las nubes son de carácter bipolar (con claras subidas y bajadas en los pulsos de radio), son muy rápidas y su primera detección se remonta a 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”, destaca Sergio Soler, investigador del IAA-CSIC que encabeza la investigación.

“Pero su origen seguía siendo incierto –continúa­–. 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”. 

Incógnita resuelta sobre el mar de Indonesia

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.

Los destellos estudiados tuvieron lugar durante una intensa tormenta eléctrica ocurrida en Indonesia en 2019. Los registros de radio se obtuvieron con sensores terrestres ubicados en el estrecho de Malaca, operados por investigadores de China, y las observaciones ópticas se realizaron con el instrumento ASIM, instalado en la Estación Espacial Internacional.

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 

Las altitudes de la fuente estimadas a partir de señales ópticas y de radio coinciden e indican que las fuentes de los destellos azules se encuentran entre 8,5 y 14 km, en una nube que alcanzaba una altitud de 14 a 15 km.

La ausencia de brillo en el rango típico de los rayos ha permitido confirmar a los autores que, efectivamente, corresponden a un tipo de descargas eléctricas naturales frías cuya formación y presencia en las nubes de tormenta se sospechaba.

“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”, señala Francisco J. Gordillo Vázquez, investigador del IAA que coordina el estudio.

Descargas tipo corona

“Específicamente serían descargas de tipo corona (tienen este aspecto de halo luminoso), que cuando se estudian en el laboratorio se caracterizan por su aspecto filamentoso y 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”, explica el científico.

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

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, gases que contribuyen al efecto invernadero.

“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 Gordillo.

Estos destellos 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.

Según los autores, “las observaciones apuntan que los destellos azules provienen de ondas de ionización fría, llamadas streamers o ‘dardos o serpentinas’, y que los NBE positivos son descargas de corona formadas por muchos dardos”.

Dos fenómenos azulados diferentes

Gordillo aclara que estos destellos azulados son diferentes a los jets azules que emergen de las nubes y "parecen ser producidos (es la explicación aceptada a día de hoy) por una inestabilidad de carga eléctrica en la nube de tormenta causada por un rayo nube-suelo que ocurre poco antes del jet".

“Sin embargo, lo que hemos detectado ahora son descargas eléctricas que ocurren dentro de las nubes de tormenta –subraya– , y pueden llegar a tener dimensiones verticales de varios kilómetros (con algunos cientos de metros de anchura). Aún así, la causa final del color azul es la misma, esto es, dardos de plasma que no calientan el aire y que emiten un característico color azulado, aunque realmente emiten entre el ultravioleta cercano y el azul”. 

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

Referencia:

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

Fuente:
IAA-CSIC
Derechos: Creative Commons.
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