La ciencia de los 'superrayos', los rayos más fuertes del mundo

Las grietas y oleadas de energía lumínica de los relámpagos han provocado durante mucho tiempo preguntas científicas desconcertantes. Y aunque quedan muchas preguntas sin respuesta sobre estos poderosos destellos, recientemente se ha resuelto a un misterio particularmente importante: cómo ocurren los impactos más brillantes y fuertes de nuestro planeta.

El rayo promedio produce aproximadamente de 1000 a 5000 megajulios de energía, suficiente para alimentar una bombilla de 60 vatios durante más de seis meses. El término "superrayo" fue acuñado por un estudio publicado en 1977 para los destellos que atravesaban el cielo con 1000 veces más luz y energía que eso. Si bien estos rayos constituyen solo una pequeña fracción de todos los rayos, su naturaleza extrema puede ayudar a los científicos a investigar el funcionamiento de las tormentas eléctricas.

En un nuevo estudio, los investigadores descubrieron que la energía de un rayo aumenta drásticamente cuando la zona de carga de una nube, donde se genera el rayo, está más cerca de la superficie de la Tierra.

"Cuando vimos esta correlación, nuestros ojos se abrieron de par en par. Pensamos, esto es enorme", dice Avichay Efraim, físico de la Universidad Hebrea de Jerusalén (Israel) y autor principal del estudio. "La alegría de descubrir algo así es el sueño de todo científico".

Dentro de las nubes de tormenta, que atraviesan un amplio rango de temperaturas y pueden alcanzar hasta 1700 metros de altura, las fuertes corrientes ascendentes y descendentes hacen que el hielo y el agua choquen entre sí, dejando algunas partículas cargadas positivamente y otras cargadas negativamente. Esto crea un campo eléctrico dentro de la nube, conocido como zona de carga.

"Para que ocurra un rayo, debemos tener hielo", dice Efraim. "Y el hielo se produce solo por debajo de cero grados centígrados, en la isoterma cero, el límite inferior de la zona de carga. En algún lugar dentro de esta zona, se encienden los rayos. Cuando la distancia es más corta entre esta zona y los océanos o mesetas, obtenemos mucha más energía".

Desenredando el relámpago

La investigación de Efraim, surgió de un estudio de 2019, que mostró que los superrayos tienden a agruparse en ciertas partes del mundo: el mar Mediterráneo, el noreste del océano Atlántico y una de las mesetas más altas de la Tierra, el Altiplano en Bolivia y Perú.

"Empezamos a pensar, ¿qué tienen estas tres regiones? ¿Por qué no en otro lugar?", añadió Efraim.

En busca de respuestas, los investigadores recopilaron y analizaron datos de un conjunto de detectores de rayos de ondas de radio, que señalaron el momento, la ubicación y la energía exactos de los impactos de rayos concretos que ocurrieron entre 2010 y 2018. Luego, el equipo utilizó los datos para determinar las condiciones que rodeaban a las tormentas, como la elevación de la superficie terrestre y del agua, la altitud de la zona de carga, las temperaturas base y máxima de las nubes y las concentraciones de aerosoles.

Efraim había visto previamente que los aerosoles vigorizaban los rayos, y al principio pensó que podrían desempeñar un papel en la aparición de los superrayos. Aunque descubrió que los aerosoles afectaban a la frecuencia de los rayos, no desempeñaban un papel importante en la fuerza de un impacto. Más bien, fue la distancia entre la zona de carga de una nube y la superficie del planeta lo que afectó la energía de un rayo.

"Cualquier avance en los superrayos es fascinante; son muy raros y difíciles de rastrear", dice Michael Peterson, científico atmosférico del Laboratorio Nacional de Los Álamos (Estados Unidos) que no participó en el nuevo estudio.

Peterson señala que, si bien hay buenas razones para creer que una distancia más pequeña entre la zona de carga de una nube de tormenta y el suelo produce rayos más fuertes, particularmente en los Andes, los mecanismos para explicar este fenómeno se basan en modelos. Sin la información de un radar meteorológico u otras mediciones ópticas, dice, es difícil descifrar los procesos a pequeña escala dentro de las tormentas eléctricas.

"Es un problema difícil de resolver porque estos superrayos ocurren con muy poca frecuencia, tal vez unas pocas veces al año. Con las tormentas oceánicas, pude ver que esto era un problema de correlación o un problema de causalidad", dice Peterson. "No tenemos una línea de base de la que partir en términos de cómo surgen [los superrayos], y esperamos que esta investigación proporcione una parte de eso".

Estudio de futuros flashes

Efraim señala que comprender la causa de los superrayos será importante para determinar cómo podrían afectar a la sociedad.

"El impacto inmediato es el riesgo de superrayos en las infraestructuras y otras cosas que usamos como las turbinas eólicas, los barcos y los aviones", dice; "estas cosas pueden absorber un rayo promedio hasta cierto punto, pero los superrayos pueden causar derretimiento o daños graves".

La investigación sobre los enrevesados efectos del calentamiento global en la actividad de los superrayos sigue sin ser explorada, dice Efraim, pero probablemente será un área de enfoque en el futuro. Señala que los niveles más altos de humedad en la atmósfera, que podrían ocurrir a medida que el planeta se calienta, pueden hacer que la zona de carga se forme a mayor altitud, disminuyendo la frecuencia de los superrayos. Por el contrario, los cambios inducidos por el clima en los vientos y las corrientes de chorro podrían traer un barrido de aire frío hacia el Ecuador, donde chocaría con el aire cálido y húmedo y bajaría la zona de carga, creando más superrayos.

"Es muy complicado porque todavía no podemos decir con certeza qué afectaría a qué, pero ciertamente es algo que se puede modelar", continúa Efraim. "Creo que ese es el efecto de nuestra investigación: encontramos una gran pieza del rompecabezas, y esta información ahora se puede implementar e incorporar a los modelos globales".