Las grandes tormentas crean una sorprendente cantidad de radiación

Nuevas observaciones realizadas desde un avión espía U2 modernizado revelan una sorprendente cantidad y variedad de radiación gamma que se produce en las grandes tormentas tropicales.

En la década de 1990, los satélites de la NASA construidos para detectar partículas de alta energía provenientes de supernovas y otros objetos de tamaño celeste descubrieron una sorpresa: ráfagas de radiación gamma de alta energía provenientes de aquí en la Tierra.

«En las tormentas suceden muchas más cosas de las que jamás imaginamos».

Si bien los investigadores descubrieron rápidamente que estas partículas radiactivas sobrealimentadas provenían de tormentas eléctricas, la frecuencia con la que ocurría el fenómeno seguía siendo un misterio. Los satélites no fueron construidos para detectar la radiación gamma procedente de la Tierra, y para ello sólo tenían que estar en el lugar correcto y en el momento adecuado.

Después de años de trabajar con plataformas que no eran ideales para esta tarea, un grupo de científicos tuvo la oportunidad de volar un avión espía U2 modernizado propiedad de la NASA en tormentas para observarlas adecuadamente.

En dos nuevos artículos en Naturaleza (uno, dos), el equipo descubrió que la radiación gamma producida en las tormentas es mucho más común de lo que nadie pensaba y que la dinámica que crea la radiación encierra un tesoro de misterios aún por resolver.

«En las tormentas suceden muchas más cosas de las que jamás imaginamos», dice Steve Cummer, profesor de ingeniería en la Universidad de Duke y coautor de ambos artículos.

«Resulta que esencialmente todas las grandes tormentas generan rayos gamma a lo largo del día en muchas formas diferentes».

La física general detrás de cómo las tormentas crean destellos de radiación gamma de alta energía no es ningún misterio. A medida que se desarrollan las tormentas, las corrientes de aire arremolinadas lanzan gotas de agua, nieve y hielo en una mezcla que crea una carga eléctrica como una burbuja que se frota contra la camisa. Las partículas cargadas positivamente terminan en la parte superior de la tormenta, mientras que las partículas cargadas negativamente se hunden hasta el fondo, creando un enorme campo eléctrico que puede ser tan fuerte como 100 millones de pilas AA apiladas de un extremo a otro.

Cuando otras partículas cargadas, como los electrones, se encuentran en un campo tan fuerte, se aceleran. Si aceleran a velocidades lo suficientemente altas y golpean una molécula de aire, desprenden más electrones de alta energía. El proceso se ralentiza hasta que las colisiones tienen suficiente energía para crear reacciones nucleares, que producen explosiones extremadamente poderosas y rápidas de rayos gamma, antimateria y otras formas de radiación.

Pero ese no es el final de la historia de la radiación gamma del trueno. Los aviones que volaban cerca de las tormentas también vieron un débil resplandor de radiación gamma proveniente de las nubes. Estas tormentas parecen tener suficiente energía para producir un nivel bajo de radiación gamma, pero algo impide que creen una explosión explosiva como los granos de maíz.

«Algunas campañas aéreas intentaron ver si estos fenómenos eran comunes o no, pero hubo resultados mixtos, y varias campañas sobre los Estados Unidos no encontraron ninguna radiación gamma», dice Cummer. «Este proyecto fue diseñado para abordar estas preguntas de una vez por todas».

El grupo de investigación consiguió el uso del avión científico del aire de gran altitud ER-2 de la NASA. Un avión espía U2 modernizado que quedó de la Guerra Fría, vuela dos veces más alto que los aviones comerciales y aproximadamente tres millas por encima de la mayoría de las tormentas. También es extremadamente rápido, lo que le brinda al equipo la oportunidad de elegir las tormentas exactas que pensaban que tendrían más probabilidades de producir resultados.

«El avión ER-2 será la última plataforma de observación de rayos gamma procedentes de nubes tormentosas», afirma Nikolai Østgaard, profesor de física espacial en la Universidad de Bergen (Noruega) e investigador principal del proyecto. “Volando a 20 km [12.4 miles]podemos volar directamente sobre la cima de la nube, lo más cerca posible de la fuente de los rayos gamma».

Como el ER-2 era la solución perfecta y el equipo volaría sobre las tormentas adecuadas, los investigadores pensaron que si estos fenómenos fueran raros, apenas verían nada. Pero si fueran comunes, verían mucho.

Y vieron mucho.

Durante un mes, el ER-2 realizó 10 vuelos sobre grandes tormentas en los trópicos del sur de Florida, y 9 de ellos observaron esta fuente de radiación gamma, que además fue más dinámica de lo esperado.

«La dinámica de las nubes de tormenta de resplandor gamma contradice fuertemente la imagen casi estacionaria anterior de resplandores y se parece más bien a la de una enorme olla hirviendo de resplandores gamma tanto en el modelo como en el comportamiento», dice Martino Marisaldi, profesor de física y tecnología. en la Universidad. de Bergen.

Dado el tamaño de una tormenta tropical típica, que es mucho mayor que las tormentas en otras latitudes, esto sugiere que más de la mitad de todas las tormentas tropicales son radiactivas. Los investigadores postulan que esta producción de bajo nivel de radiación gamma actúa como vapor hirviendo en una olla con agua y limita la cantidad de energía que se puede acumular en su interior.

Los investigadores estaban igualmente entusiasmados al ver varios ejemplos de corta duración y ráfagas de intensa radiación gamma provenientes de las mismas tormentas. Algunos de ellos eran precisamente similares a los descubiertos originalmente por los satélites de la NASA. Estos ocurrieron casi siempre junto con una descarga de rayo activa. Esto sugiere que es probable que el gran campo eléctrico creado por los rayos sobrecargue los electrones que ya tienen alta energía, permitiéndoles crear reacciones nucleares de alta energía.

Pero también hubo al menos otros dos tipos de explosiones cortas de radiación gamma que nunca antes se habían visto. Un tipo es increíblemente corto, menos de una milésima de segundo, mientras que el otro es una secuencia de unas 10 ráfagas individuales que se repiten durante aproximadamente una décima de segundo.

«Esas dos nuevas formas de radiación gamma son las que encuentro más interesantes», afirma Cummer. “No parecen estar asociados con el desarrollo de los rayos. Surgen de alguna manera espontáneamente. Hay indicios en los datos que en realidad pueden estar relacionados con los procesos que inician los destellos, que todavía son un misterio para los científicos».

Si hay alguien por ahí preocupado por convertirse en Hulk con toda esta radiación gamma, añade Cummer, no debería estarlo. La cantidad de radiación que se produce sólo sería peligrosa si una persona u objeto estuviera bastante cerca de la fuente de origen.

“La radiación será el menor de tus problemas si te encuentras allí. Los aviones evitan volar hacia el núcleo de una tormenta activa debido a las turbulencias y los vientos extremos”, dice Cummer. «Incluso sabiendo lo que sabemos ahora, no me preocuparía más que antes por volar».

El apoyo a esta investigación provino del Consejo Europeo de Investigación y del Consejo de Investigación de Noruega.

Fuente: Universidad de Duke