Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State) ha ofrecido la primera descripción cuantitativa y precisa del mecanismo atmosférico que provoca la formación de los rayos. El estudio, publicado en la revista Journal of Geophysical Research, demuestra cómo los fuertes campos eléctricos en las nubes de tormenta aceleran electrones que, al chocar con moléculas de aire, generan rayos X e inician una avalancha de partículas de alta energía que culmina en una descarga eléctrica.
Una reacción en cadena dentro de la nube
Aunque se conoce desde hace tiempo cómo se propaga un rayo desde las nubes hasta el suelo, el proceso inicial dentro de la tormenta seguía sin resolverse.
"Nuestros hallazgos proporcionan la primera explicación precisa y cuantitativa de cómo se originan los rayos en la naturaleza", afirma Victor Pasko, profesor de ingeniería eléctrica en la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación de Penn State.
"Conectan los rayos X, los campos eléctricos y la física de las avalanchas de electrones".
El equipo utilizó un modelo matemático para simular condiciones reales de tormenta y explicar fenómenos ya observados, como los llamados destellos gamma terrestres: ráfagas breves de rayos X que acompañan a las descargas eléctricas, invisibles al ojo humano pero detectadas por satélites o aviones de gran altitud.
Según Pasko, "demostramos cómo los electrones, acelerados por fuertes campos eléctricos en las nubes de tormenta, producen rayos X al colisionar con moléculas de aire como el nitrógeno y el oxígeno, creando una avalancha de electrones que produce fotones de alta energía que inician los rayos".
Cómo nace un rayo sin luz ni radio
El modelo permite explicar por qué algunas emisiones de rayos gamma ocurren sin señales ópticas o de radio detectables.
En palabras de Pasko, "además de producirse en volúmenes muy compactos, esta reacción en cadena descontrolada puede ocurrir con una intensidad muy variable, lo que a menudo genera niveles detectables de rayos X, acompañados de emisiones ópticas y de radio muy débiles".
"En nuestro modelo", añade, "los rayos X de alta energía producidos por avalanchas de electrones relativistas generan nuevos electrones semilla impulsados por el efecto fotoeléctrico en el aire, lo que amplifica rápidamente estas avalanchas".
Validación con datos reales de tormentas
El trabajo ha sido verificado con datos de campo. Zaid Pervez, doctorando en ingeniería eléctrica y coautor del estudio, aplicó el modelo a observaciones reales recopiladas por satélites, aviones espía y sensores terrestres.
"Explicamos cómo ocurren los eventos fotoeléctricos, qué condiciones deben darse en las nubes de tormenta para iniciar la cascada de electrones y qué causa la amplia variedad de señales de radio que observamos en las nubes, todo ello antes de la caída de un rayo", explica.
Pervez comparó también los resultados con estudios previos, incluida su propia investigación sobre las llamadas descargas internubladas compactas, un tipo de rayo que se produce entre zonas cercanas dentro de la misma nube. Esta validación refuerza la hipótesis de que este fenómeno es el responsable del inicio de los rayos.