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Ciencia

Los enigmas de las tormentas

Un experimento con globos aerostáticos investiga un fenómeno luminoso similar a los rayos

ROBERTO DE BIASI / DIVULGACCIÓNSe ha dado inicio a un experimento inédito, que literalmente es lanzado a las nubes con el propósito de develar uno de los extraños fenómenos asociados a los relámpagos: los sprites – efectos luminosos débiles que duran poquísimo tiempo, entre 5 y 300 milisegundos, y que aparecen durante las tormentas. Al final de noviembre, un globo de 40 metros de altura zarpó de Cachoeira Paulista, ciudad situada a mitad de camino de São Paulo y Río de Janeiro, como parte de un proyecto realizado conjuntamente por el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, sigla en portugués) y las universidades estadounidenses de Washington y Utah.

Y otros tres globos no tripulados soltarán amarras y se elevaran a unos 30 kilómetros de altura hasta el día 21 de diciembre, llevando consigo instrumentos que analizarán las emisiones de rayos X y de luz visible de los sprites – un término aún no traducido, que en inglés significa duende, hada o fantasma. Al monitorear los globos desde tierra o desde aviones, los investigadores intentarán por primera vez llegar lo suficientemente cerca – menos de 100 kilómetros, si los vientos ayudan – para caracterizar la intensidad de los campos eléctricos y magnéticos que generan estos fenómenos en una franja de la atmósfera ubicada arriba de las tempestades – que en las regiones tropicales se concentran hasta a 15 kilómetros del suelo – y por debajo de la zona en la que generalmente se producen lossprites , en un estrato de la atmósfera situado entre 40 y 90 kilómetros arriba del suelo: la mesosfera.

“Este fenómeno, que se manifiesta en una región elevada de la atmósfera, está siempre asociado a un rayo en una porción inferior”, explica Osmar Pinto Júnior, investigador del Inpe y coordinador de la parte brasileña del proyecto. “Pretendemos observar qué sucede en esa franja intermediaria”.

En un estudio similar, realizado en 1999 con aeorostatos que sobrevolaron los estados de Iowa y Texas (EE.UU.) se intentó infructuosamente efectuar este análisis, de acuerdo con el físico estadounidense Robert Holzworth, de la Universidad de Washington y uno de los coordinadores del estudio actual financiado por la FAPESP y por la National Science Foundation (NSF) de Estados Unidos. “Los globos quedaron a más de 300 kilómetros de los sprites. A esa distancia es imposible hacer las mediciones que pretendemos realizar”, comenta Holzworth, que estuvo en Río de Janeiro a comienzos de noviembre en el marco del 3º Workshop Brasileño de Electricidad Atmosférica (WAE), organizado por el Grupo de Electricidad Atmosférica del Inpe.

Si todo sale bien, los globos suministrarán pistas dar asidero a las teorías que procuran explicar de qué integran se forman los sprites, y permitirán descubrir si esos flashes de luz, que surgen durante las grandes tormentas, tienen características diferentes en los trópicos, en donde se registra el 70% de las tempestades. Los estudios actuales sobre estos efectos luminosos se concentran en Estados Unidos por una razón sencilla: nueve de cada diez sprites surgen sobre territorio norteamericano, específicamente en el centro-oeste del país, pese a que los astronautas de los trasbordadores espaciales han detectado esas descargas eléctricas en otras regiones del planeta – incluso cerca de Santa María, en Río Grande do Sul, en 1994.

Aviones y misiles
Además de aportar avances teóricos, el hecho de conocer en detalle las características de estas descargas eléctricas puede influir en el futuro en la aviación comercial, en caso de que los vuelos hipersónicos se conviertan en una realidad, según Pinto Júnior. Actualmente, los aviones civiles viajan a alrededor de 10 kilómetros de altura y a 900 kilómetros por hora. Con aviones hipersónicos se pretende alcanzar velocidades diez veces más altas, pero para ello las aeronaves deberán volar a 20 kilómetros del suelo.

Esta cuestión es importante debido a que observaciones recientes, realizadas con cámaras más sensibles, indican que los sprites se producen también – con una intensidad menor, es cierto – en capas mucho más bajas de la atmósfera, a alturas inferiores a los 30 kilómetros, ligeramente arriba de las tempestades. Según el investigador del Inpe, el estudio del fenómeno suscita también interés militar, principalmente en Estados Unidos, pues se cree que la radiación emitida por los sprites es similar a la de los misiles nucleares.

Estos fenómenos, previstos en 1925 por el físico escocés Charles Rees Wilson (1869-1959), que recibió el Nobel de física en 1927, son considerados recientes. El equipo del investigador jubilado Jack Winkler filmó un sprite por primera vez sólo en 1988, durante una noche sin luna en el estado de Minnesota (EE.UU.). Los primeros artículos científicos, publicados al inicio de los años 90, no relacionaban todavía a estos fenómenos con los relámpagos. De esta manera, la variedad de formas y estructuras – columnas o aguavivas, que llegan a alcanzar hasta 30 kilómetros de altura y 40 kilómetros de extensión – determinó la elección de un nombre sin ninguna asociación física. Hoy en día se sabe que los sprites generalmente aparecen cuando se produce una tempestad de gran porte, asociados con los relámpagos que partem de la nube hacia el solo.

Uno de los modelos teóricos actuales sugiere que los sprites derivan del campo eléctrico generado entre los dos polos que se forman dentro de una nube de tormenta – el positivo, cerca de la cima de la nube, y el negativo, en la base – y la consecuente ionización de la capa aislante, formada inmediatamente arriba de la nube. Cuando se produce un rayo positivo, ese polo es temporalmente vaciado y, como consecuencia de ello, las cargas restantes generan un campo eléctrico en la mesosfera: ése es el sprite.

Pero puede no producirse así. Si el campo eléctrico no es capaz por sí solo de generar la ionización y crear el fenómeno, adquiere fuerza el otro modelo, según el cual el campo eléctrico no haría sino acelerar los electrones oriundos de los rayos cósmicos, que entonces ionizarían el medio y crearían el sprite. En caso de que los experimentos con las sondas aerostáticas detecten la emisión de rayos X, cobrará fuerza esta última hipótesis, puesto que esos electrones emiten esa forma de radiación cuando son frenados por la atmósfera.

Calor y contaminación
Pero el encuentro de Río de Janeiro no se restringió a al asunto de los sprites. Cerca de 200 físicos e ingenieros discutieron también otro fenómeno, para el cual todavía no hay una respuesta clara: la incidencia de los rayos, que es diez veces mayor sobre los continentes que sobre los océanos, según las estimaciones efectuadas en los últimos años con auxilio del satélite Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) de la Nasa, la agencia espacial estadounidense. Existe también otra cuestión intrigante: se forman dos veces más rayos sobre las ciudades que sobre las áreas desiertas, de acuerdo con estudios efectuados por diversos centros, tales como el Inpe y la Universidad de Texas. Dos hipótesis intentan explicar tales diferencias: la contaminación o el perfil de temperatura y la humedad de la atmósfera.

Pese a que no existe consenso, los indicios sugieren que la mayor humedad existente sobre los océanos sería la responsable de la menor aparición de rayos en esa zona, mientras que la mayor capacidad de retención de calor de los suelos – fundamentalmente en los centros urbanos con más de 100 mil habitantes, en donde existe una concentración de asfalto y concreto – favorecería la formación de corrientes de aire caliente ascendientes: las corrientes termales, encargadas de llevar el vapor de agua hacia la mesosfera, en donde se condensa en nubes eléctricamente cargadas sobre los continentes, y allí se originan los rayos.

El equipo del Inpe, luego de cruzar las informaciones de los satélites con datos de los sensores de rayos instalados en el suelo, produjo el primer relevamiento riguroso de las descargas eléctricas que llegan al suelo de Brasil. Este nuevo mapa, según Pinto Júnior, podrá reemplazar al actualmente adoptado por las normas brasileñas de protección contra descargas eléctricas (NBR 5419), elaborado con una precisión mucho menor: un observador registraba únicamente los truenos que escuchaba durante una tormenta, cosa que no se correspondía con el número de rayos que efectivamente caían en la zona.

El nuevo mapa, presentado por primera vez en el evento de Río, catapulta a Brasil a un sitial como uno de los campeones mundiales en ocurrencia total de rayos por año. Se calcula que entre 50 y 70 millones de descargas eléctricas caen en el país anualmente – el doble que el total detectado en Estados Unidos, un país de dimensiones similares. Aun en el cómputo del número relativo de descargas eléctricas por kilómetro cuadrado por año (rayos/km²/año), Brasil no se queda muy atrás de los campeones: los países centroafricanos, mucho menores, pero en los cuales el índice de rayos que caen al suelo supera los 20 rayos/km²/año. En el país, este índice asciende a 16 rayos/km²/año, lo que no es nada bueno, pues ocasiona pérdidas anuales por hasta 200 mil millones de dólares, además de entre 100 y 150 muertes.

El estudio aporta también otra novedad. Los mapas anteriores indicaban que la Amazonia era la región de Brasil en la cual se registra la mayor incidencia de descargas eléctricas por área durante el año. Pero ya no lo es. De acuerdo al nuevo mapa, las áreas más afectadas son el sur de Mato Grosso do Sul y la porción oeste de Río Grande do Sul – con índices de 16 rayos/km²/año. Precisamente para prevenir los daños ocasionados por las descargas eléctricas, el equipo del Inpe ha desarrollado durante los últimos tres años un detector de relámpagos.

Este artefacto es del tamaño de una caja de 40 centímetros, y ha sido producido y patentado por la empresa Indeleth, que financió una parte de la investigación. El mismo dispara una alarma sonora y visual cuando detecta tormentas situadas a una distancia de hasta 60 km. Presentado en el encuentro de Río, sale a la venta este mes por un valor de 1.500 reales, la mitad del precio de los similares importados. El equipo, una vez instalado en parques e industrias, podrá ayudar a salvar vidas y a reducir accidentes.

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