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Ciencia y Espacio

El extraordinario poder de una tormenta eléctrica

Por Dr. Don Lincoln

Nota del Editor: Don Lincoln es un científico sénior en el Laboratorio Fermi del Acelerador Nacional. Es el autor de “The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind”. También produce una serie de videos educativos sobre ciencia. Sígalo en Facebook. Las opiniones expresadas en este artículo son propias del autor.

(CNN) — Los avances en ciencias son a menudo el resultado de combinar ideas e información de disciplinas científicas que no parecen tener relación. Un ejemplo familiar podría ser cómo los científicos lograron comprender la doble hélice de ADN, que requirió combinar la biología con la cristalografía de rayos X.

Y ahora, un nuevo duo científico nos permitirá estudiar uno de los fenómenos más fascinantes en la atmósfera terrestre: las tormentas eléctricas. La radiación espacial y la meteorología han revelado que la electricidad en las tormentas eléctricas puede ser mucho más poderosa de lo que alguna vez se esperaba.

Con la capacidad de generar tanta energía como una planta nuclear moderna, las tormentas eléctricas son un despliegue glorioso del poder de la naturaleza, que han asombrado a la humanidad durante milenios. Sea que fueran interpretadas como la lucha de Tor contra los Gigantes de Hielo o utilizando la idea más moderna de la electricidad, los voltages y los campos eléctricos, es difícil competir con una ola de relámpagos que aparecen en el cielo, acompañados por el retumbar cacofónico del trueno.

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Los meteorólogos llevan mucho tiempo estudiando qué produce un nubarrón. La fricción entre las gotas de agua y el aire separan las cargas eléctricas en positivas y negativas, con un grupo que sube a la parte superior y otras que descienden al fondo. Esta separación de las cargas da como resultado un potencial eléctrico enorme, con lo que el aire, que normalmente es aislante, se convierte en un conductor y la descarga de las nubes, que emiten un golpe atronador de luz y sonido.

Al enviar aviones y globos meteorológicos al centro de las tormentas eléctricas, los cientificos pudieron medir en cuánto pueden llegar los voltajes en los nubarrones, con el valor más grande registrado de 130 millones de voltios. Ese fue el récord por mucho tiempo… hasta ahora.

Se logró una nueva técnica para estudiar el interior de una tormenta eléctrica que aprovecha la radiación del espacio para examinar el interior de toda una tormenta eléctrica y medir todos los voltajes en la tormenta, en lugar de solo los voltajes de unas pocas nubes.

thunderstorm on July 7, 2015 in Las Vegas, Nevada. The monsoon storm dropped heavy rain and hail in parts of the valley causing street flooding and power outages.

Quizás no lo sepa, pero toda la Tierra está siendo atacada. Un torrente constante de partículas llamados rayos cósmicos golpean la atmósfera terrestre. Los rayos cósmicos son usualmente solo protones evaporados del Sol, que golpean átomos en la atmósfera terrestre. Estas colisiones separan los núcleos de los átomos y el resultado son muchas partículas; ingresa un potrón y salen muchos. Esto se debe a la teoría de la relatividad de Einstein.

La energía de estos rayos cósmicos altamente energéticos se convierte en una serie de partículas subatómicas. Esas partículas a su vez golpean otros átomos en la atmósfera, produciendo incluso más partículas. Finalmente se deterioran, y lo que se filtra a la superficie de la Tierra es una lluvia constante de una partícula subatómica inestable llamada muon.

Además de ser creada en colisiones de rayos cósmicos, los muones se pueden generar también en los aceleradores de partículas. Son muy parecidas al más conocido electrón. Lo más importante: tienen una carga eléctrica que puede verse afectada por campos eléctricos como los que existen en las tormentas eléctricas. Como podemos medir los rayos cósmicos tanto en días diáfanos como durante una tormenta eléctrica, podemos usar estas dos condiciones distintas para medir los campos eléctricos adentro de una tormenta.

El experimento GRAPES-3 se ubica en la India y fue construido para estudiar las propiedades de los muones originados en los rayos cósmicos. Es una serie de 400 detectores de muones, esparcidos en 25.000 metros cuadrados.

Los experimentadores de GRAPES-3 notaron que cuando pasaba una tormenta justo por encima de su detector, observaban un número de muones más reducido en comparación con la número previo a la llegada de la tormenta eléctrica. Los campos eléctricos muy fuertes adentro de una tormenta pueden desviar los muones para que no lleguen al detector; por esa razón bajaba el número de muones. El efecto era muy pequeño (raramente observaron un cambio de más del 0,4%), pero el detector es lo suficientemente sofisticado como para medirlo con precisión.

Se propusieron estudiar esto más detenidamente, primero agregando un campo magnético a los dispositivos de medición en torno al perímetro de detección. Luego esperaron.

Durante tres años y medio, desde abril de 2011 a diciembre de 2014, observaron 184 tormentas eléctricas, siete de ellas lo suficientemente grandes como para alterar bastante la tasa de muones detectados.

En seis de esas siete tormentas, los dispositivos de medición del campo eléctrico indicaron una situación eléctrica muy complicada, difícil de caracterizar adecuadamente. Pero una tormenta ocurrida el 1º de diciembre de 2014 fue lo suficientemente grande y simple como para ser simulada por los científicos.

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Lo que hallaron, los deslumbró. En esta tormenta monstruosa, sus cálculos indicaban que el voltaje en la tormenta era de 1.300 millones de voltios, unas 10 veces más que el voltaje más alto medido anteriormente. Esto equivale a mas de dos mil millones de watts de potencia, que es comparable con una gran planta nuclear o hidroeléctrica moderna.

Un voltaje tan grande fue un resultado sorprendente aunque bienvenido, pues respondió algunas cuestiones clave. Por ejemplo, lo científicos saben desde hace tiempo que las tormentas eléctricas ecuatoriales pueden generar rayos gama, que es un tipo de radiación nuclear. Cómo lo hicieron, es un misterio; es imposible para las tormentas que albergan 130 millones de voltios de potencial eléctrico generar los rayos gama observados. Pero con voltajes de 1.300 millones de voltios, los rayos gama son fácilmente explicables.

La increíble magnitud de voltaje, comparada con las mediciones previas, se puede explicar por el hecho de que la muestra usada previamente por los globos y aviones meteorológicos era solo una pequeña parte de la tormenta. Usando los muones de los rayos cósmicos, los científicos pudieron estudiar toda la tormenta de una vez.

Entonces, con todo anuncio científico semejante, la pregunta más importante es: “¿es esta una medición confiable?” En este caso, se justifica cierta precaución. El estudio que presenta estos extraordinarios hallazgos se publicará en la revista científica Physical Review Letters, que es una de las publicaciones más prestigiosas de su tipo, y ha sido sometido a una rigurosa revisión de pares. Por otra parte, las mediciones reportan solo una tormenta eléctrica y el modelo específico usado en el cálculo teórico fue simple. Queda claro que un modelo refinado podría arrojar un resultado distinto.

Así y todo, la técnica es fascinante. Aun cuando un estudio más refinado arrojara un valor numérico distinto para el potencial eléctrico adentro de la tormenta, es muy probable que se siga desarrollando el enfoque de usar los muones de rayos cósmicos para estudiar las tormentas eléctricas.

La ciencia es a menudo más fascinante y productiva cuando se combinan técnicas de distintas disciplinas. Los estudios interdisciplinarios a menudo han revolucionado nuestra comprensión de misterios científicos desconcertantes. Bien podría ser que los rayos cósmicos y las tormentas eléctricas sacudieran de modo similar lo que creíamos saber sobre uno de los espectáculos más majestuosos de la naturaleza.