No hay necesidad de una gran tormenta para mover la atmósfera. A veces, una distancia desde una distancia o del momento en que el cielo de repente se oscurece, muchas personas hacen esta pregunta para traer a la mente: ¿cómo comienza el rayo? Lo creas o no, la ciencia no tenía una respuesta clara hasta hace poco. Los componentes se sabían cómo revelaron uno de los fenómenos de la naturaleza más poderosos y temporales al hacer conexiones entre sí.
Un nuevo estudio publicado en Journal of Geophysical Research: Atmospheres, una explicación detallada y cuantitativa para este rompecabezas. El profesor Victor P. Pasko de la Universidad Estatal de Penn, y en cooperación con los centros de investigación en Francia, Dinamarca, la República Checa y la NASA, propone un modelo basado en una poderosa reacción en cadena de electrones acelerados. Gracias a sus simulaciones por computadora de alta precisión, los autores muestran que una serie de electrones relativos producidos por el efecto fotoléctrico en el aire pueden iniciar el moho incluso en condiciones aparentemente silenciosas.
Efecto fotoeléctrico en el corazón de la tormenta
El modelo propuesto en este estudio se basa en un fenómeno bien conocido en física: efecto fotoeléctrico. Con este efecto, una partícula de luz (fotón) puede romper un electrón de un átomo. Bajo las condiciones extremas en algunas nubes de tormenta, los campos eléctricos son lo suficientemente fuertes como para acelerar los electrones a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Estos electrones chocan con átomos de nitrógeno y oxígeno para producir rayos x y otras partículas, lo que hace que se liberen más electrones.
El punto que enfatiza este estudio es que la cadena de eventos se ve fortalecida por el efecto fotoeléctrico y permite la formación de una «avalancha» electrónica en un área muy pequeña y en las fracciones del segundo. La acumulación de partículas cargadas de esta manera finalmente forma una descarga eléctrica intensa: el primer paso del rayo.
Como explican los autores, este proceso «no trae ninguna restricción a la intensidad o origen físico de los electrones iniciales», es decir, una semilla de energía muy pequeña, como un solo electrón de la radiación cósmica, puede desencadenar todo el fenómeno.
Tormentas invisibles: cuando no hay luz ni sonido
Uno de los hallazgos más sorprendentes del estudio está relacionado con el resplandor de rayos gamma terrestres (TGFS). Estas explosiones de radiación de alta energía a corto plazo sorprendieron a los científicos porque a menudo se detectaron sin un resplandor visible o una señal de radio típica. Entonces, ¿cómo podría suceder algo enérgico sin «ruido»?
Las simulaciones realizadas por el equipo de Pasko ofrecen una explicación clara. Como han dicho, los rayos gamma se pueden producir en partes muy pequeñas del proceso de avalancha de la nube, pero sin descarga visible. «Este proceso puede dar lugar a rayos X a niveles detectables, a pesar de que es muy débil emisiones ópticas y de radio». En otras palabras, puede ser una tormenta energética en la que los ojos y radares humanos apenas pueden percibir en el cielo.
Esta observación ayuda a comprender por qué algunos rayos gamma no están asociados con eventos ópticos significativos: la física, lo que los lleva, es más sutil y más rápido de lo que se pensaba anteriormente.
Un modelo que conecta todo
La esencia de este estudio es desarrollar y verificar el modelo de descarga de retroalimentación fotoléctrica. Este modelo se reproduce en detalle, incluidos los pasos físicos en una nube, el comportamiento de los electrones, los campos eléctricos, la formación de rayos gamma y las ondas electromagnéticas asociadas.
Una de las contribuciones más importantes del estudio es que este mecanismo puede explicar múltiples eventos atmosféricos al mismo tiempo. Desde Lightning Start Coups (IBPS) y eventos bipolares estrechos (NBES), GOUP de nubes energéticas (EIPS) y rayos gamma basados en tierra (TGFS).
El modelo no solo es consistente con las observaciones anteriores basadas en tierra y satélite, sino que también nos permite predecir cómo estos eventos se comportarán en diferentes altitudes, gracias a los principios que los autores llaman leyes de similitud. Estas leyes ajustan las variables físicas del modelo de acuerdo con la densidad de la altitud, y explican por qué ciertos eventos tardan más intensos o más en diferentes niveles de la atmósfera.
Inteligencia artificial … aunque no lo llamamos inteligencia artificial
Aunque el término «inteligencia artificial» no se usa en el artículo, un sistema de simulación que en realidad puede reproducir condiciones de vida reales. El modelo contiene algoritmos numéricos complejos establecidos por datos experimentales para estimar cómo se comportan los electrones en presencia de campos eléctricos naturales.
Tal modelado computacional, basado en la física de alta energía y las técnicas de simulación, puede considerarse como una especie de inteligencia artificial científica. El sistema analiza millones de posibles órbita de partículas y evalúa cómo las condiciones en una nube cambian en milisegundos.
Como explicó el investigador Zaid Pervez en el comunicado de prensa, «comparamos nuestros resultados con mi propio trabajo sobre observaciones anteriores y descarga compacta en las nubes» y esto prueba el poder de predicción del modelo.
Gracias a este enfoque, los casos observados por satélites, los aviones de gran altitud y los sensores basados en el suelo podrían reproducirse y se reforzó una teoría que no se pudo resolver durante años.
Una nueva forma en la investigación
Este estudio constituye un punto de inflexión en nuestra comprensión del rayo. Hasta ahora, se pensó que la formación de rayos requería condiciones muy específicas y visibles. Una acumulación de carga detectada, una fuerte señal electromagnética o un arranque inicio claramente observado. Sin embargo, este estudio muestra que el proceso puede ser mucho más sutil, rápido y local.
Además, al identificar el papel clave del efecto fotoléctrico en el aire, el estudio hace nuevas formas de descubrir cómo se comporta la atmósfera en situaciones de alto voltaje no solo en la Tierra sino también en otros planetas con una atmósfera intensa. La física detrás del Lightning puede ser universal, y este modelo ofrece una herramienta útil para aplicarla en otros contextos.
Finalmente, la posibilidad de un solo electrón acelerado (quizás el producto de un haz cósmico) nos recuerda que la naturaleza funciona de manera extremadamente precisa. A veces, el más mínimo gatillo puede desencadenar una reacción tremenda.
