Un avi¨®n esp¨ªa observa c¨®mo las tormentas producen nubes radioactivas y antimateria

En 1960, la Uni¨®n Sovi¨¦tica derrib¨® el avi¨®n del piloto estadounidense Francis Gary Powers mientras sobrevolaba Ekaterimburgo. El aviador fue capturado vivo y condenado a 10 a?os de c¨¢rcel, mientras se exhib¨ªan en p¨²blico los restos del fuselaje. Aquello se llam¨® incidente U2, por el nombre del avi¨®n esp¨ªa que pilotaba Powers, que se hab¨ªa dise?ado a petici¨®n de la CIA para volar a gran altitud y fotografiar los arsenales comunistas sin ser detectado.

Seis d¨¦cadas despu¨¦s, el mismo tipo de avi¨®n, reconvertido para uso cient¨ªfico, ha permitido observar como nunca antes lo que sucede dentro de una tormenta el¨¦ctrica. A pesar de la capacidad para estudiar estos procesos desde Tierra y desde el espacio, se ignora c¨®mo se desencadenan los rayos, capaces por un instante de calentar la atm¨®sfera a 20.000 grados, tres veces m¨¢s que la superficie del Sol.

En julio de 2023, la Agencia Espacial de Estados Unidos realiz¨® 10 vuelos con su avi¨®n ER-2, del mismo tipo que los U2 de la Guerra Fr¨ªa. Su objetivo era hacer un experimento sin precedentes: subir hasta 20 kil¨®metros y sobrevolar cuantas veces fuera posible las peores tormentas tropicales que hubiese en ese momento en el Caribe y Am¨¦rica Central. Este avi¨®n de reacci¨®n es capaz de planear durante horas cargado de instrumentos cient¨ªficos. En Tierra, un equipo de investigadores, meteor¨®logos y militares van guiando al aviador y le avisan de d¨®nde va a producirse la pr¨®xima descarga el¨¦ctrica con una palabra en clave: ¡°glow!¡±, resplandor en ingl¨¦s. El piloto pasa a apenas dos kil¨®metros y medio de las nubes y sus descargas el¨¦ctricas. Es lo m¨¢s cerca que la ciencia ha estado de una tormenta.

Los resultados de la campa?a desvelan que los temporales generan radiactividad en forma de rayos gamma, el tipo de radiaci¨®n que tambi¨¦n producen las explosiones nucleares o la desintegraci¨®n de elementos como el uranio. Aunque otros experimentos hab¨ªan demostrado la existencia de este fen¨®meno, las dimensiones observadas por el avi¨®n esp¨ªa de la NASA son nunca vistas. Las tormentas generan rayos gamma durante horas y cubren ¨¢reas de m¨¢s de 9.000 kil¨®metros cuadrados.

En dos estudios publicados este mi¨¦rcoles en Nature, referente de la mejor ciencia mundial, los cient¨ªficos comparan el fen¨®meno con una olla de agua hirviendo. Cada burbuja corresponder¨ªa a un resplandor de rayos gamma que dura fracciones de segundo, y que enciende el cielo de destellos de luz invisibles al ojo humano.

Por su dise?o, solo un piloto puede volar dentro del ER-2, enfundado en un traje presurizado como el de los astronautas. Uno de ellos dijo que las nubes ten¨ªan ¡°un extra?o color p¨²rpura por el enloquecido ritmo al que descargaban los rayos¡±, explica a este diario Steve Cummer, ingeniero el¨¦ctrico de la Universidad Duke (Estados Unidos), y coautor del primer estudio. ¡°Por primera vez sabemos que este proceso es muy com¨²n, de forma que los rayos, un proceso visual espectacular, y los rayos gamma, invisibles sin el equipo adecuado, trabajan al un¨ªsono para descargar la energ¨ªa¡±, detalla.

Las nubes de tormenta son los mayores aceleradores de part¨ªculas naturales de la Tierra, resume Martino Marisaldi, f¨ªsico de la Universidad de Bergen, en Noruega, y coautor del segundo estudio. ¡°En todo momento, en el planeta tenemos unas 2.000 nubes de tormenta activas y cada segundo se producen unos 45 rayos. Es uno de los procesos m¨¢s poderosos que podamos imaginar y es esencial entender c¨®mo sucede¡±, resalta.

La gran inc¨®gnita sobre los rayos es que para producirlos hacen falta campos el¨¦ctricos diez veces mayores que los que hasta ahora se han observado dentro de las tormentas, por lo que no se sabe c¨®mo se desencadena realmente el estallido de electricidad.

Estos cient¨ªficos han descubierto un nuevo tipo de rayo gamma dentro de la tormenta llamado destello de rayos gamma titilante (TGF, en sus siglas en ingl¨¦s). Este fen¨®meno es ¡°el eslab¨®n perdido¡± que conecta los dos tipos de rayo gamma ya conocidos, los resplandores, que pueden llegar a durar m¨¢s de un minuto, y los destellos terrestres, que son m¨¢s intensos pero duran microsegundos. Los TGF suceden justo despu¨¦s de los destellos y antes de los rayos. Esto implica que hay un proceso hasta ahora desconocido que descarga parte de la energ¨ªa en forma de rayos gamma, y que a su vez podr¨ªa ser el paso previo para que se forme un rayo.

¡°Si no se diese este proceso, las tormentas estar¨ªan mucho m¨¢s electrificadas y probablemente generar¨ªan descargas mucho m¨¢s potentes y peligrosas¡±, reconoce Cummer. La nueva informaci¨®n encaja bien con lo que se sab¨ªa desde el punto de vista cosmol¨®gico: los rayos gamma son la radiaci¨®n m¨¢s potente del universo y en fracciones de segundo liberan m¨¢s energ¨ªa que todas las estrellas del universo.

Dentro de las nubes de tormenta tambi¨¦n sucede otro proceso con nombre de pel¨ªcula de ciencia-ficci¨®n: avalancha de electrones relativistas fuera de control. Son relativistas porque viajan a casi la velocidad de la luz, el l¨ªmite m¨¢ximo permitido en el universo, seg¨²n la teor¨ªa de la relatividad de Albert Einstein. Cuando esos electrones chocan con mol¨¦culas de aire, generan electrones y fotones de alta energ¨ªa. El potencial dentro de la nube se hace tan grande que tambi¨¦n se crean positrones, las part¨ªculas de antimateria complementarias del electr¨®n, pero con carga opuesta. ¡°Ahora sabemos que muchas tormentas brillan con rayos gamma y crean antimateria¡±, resume Cummer.

Los responsables del trabajo creen que ahora est¨¢n un poco m¨¢s cerca de entender exactamente c¨®mo se genera un rayo. ¡°Por primera vez vemos que los rayos gamma no son una curiosidad cient¨ªfica, sino un proceso fundamental que probablemente se produce en todas las tormentas con campos el¨¦ctricos lo suficientemente grandes¡±, resalta Marisaldi. Esto incluir¨ªa no solo las tropicales, sino tambi¨¦n las que pueden producirse en Europa, asegura. ¡°Este trabajo nos muestra ahora la forma de seguir investigando c¨®mo la producci¨®n de part¨ªculas energ¨¦ticas genera los rayos, uno de los mayores enigmas de la f¨ªsica de la atm¨®sfera¡±, a?ade.

Los cient¨ªficos creen que los temporales de rayos gamma no entra?an riesgos para las personas. Habr¨ªa que estar muy cerca de uno de estos destellos para poder recibir una dosis significativa. Lo que s¨ª entra?a riesgos es acercarse m¨¢s a una tormenta. Lo m¨¢s peligroso de meter un avi¨®n en una de estas tempestades ser¨ªan las enormes turbulencias, que podr¨ªan tumbar la nave. Los rayos, en cambio, no son demasiado preocupantes. Es relativamente frecuente que un avi¨®n comercial reciba una descarga el¨¦ctrica ¡ªsucede unas dos veces al a?o¡ª , y en la mayor¨ªa de los casos no hay ning¨²n da?o.

Estos dos nuevos trabajos se inscriben en un campo emergente: la f¨ªsica atmosf¨¦rica de altas energ¨ªas, explica en un comentario independiente el f¨ªsico y matem¨¢tico Joseph Dwyer, de la Universidad de New Hampshire (Estados Unidos). ¡°Es alucinante que pasadas dos d¨¦cadas del comienzo del siglo XXI, la atm¨®sfera de la Tierra tenga suficientes sorpresas guardadas como para inaugurar todo un nuevo ¨¢mbito de la ciencia¡±. Los estudios realizados con aparatos como el antiguo avi¨®n esp¨ªa de la NASA pueden ser ¡°una revoluci¨®n en nuestra comprensi¨®n de la electrificaci¨®n de las tormentas y los rayos¡±, a?ade.