Tormentas, Rayos, TLEs, Sprites, Elfos, trolls y más

Los rayos son uno de los fenómenos meteorológicos más conocidos. Sin embargo, desde hace poco tiempo, se descubrió que están asociados a muchos fenómenos luminosos adicionales bastante desconocidos. 

Sprites tomados de la base de datos de Spritacular.

Se los engloba a todos con el nombre “TLE” (Transient Luminous Events – Eventos Luminosos Transitorios). Ahora sabemos hay muchos tipos, que incluyen Elfos, Trolls, Gnomos, Sprites, Halos, Jets azules, Jets gigantes y Destellos azules.

Un poco de historia

Los relatos escritos de extraños destellos de luz relacionados con tormentas se remontan al siglo XVIII. El primer informe conocido proviene del jurista alemán Johann Georg Estor, quien en 1730 describió haber visto una tormenta desde la cima de una montaña en Vogelsberg, cuando vio destellos de luz "directamente hacia el cielo".

Más de 200 años después, el fenómeno era igual de desconcertante. En la década de 1980, pilotos de la NASA describieron rayos que caían hacia arriba, a unos 600 metros por encima de su trayectoria de vuelo. La luz “se hizo añicos en todas las direcciones como lo haría un huevo si fuera arrojado contra el techo”, informaron. Debido a que sus observaciones no fueron capturadas por una cámara, la comunidad científica ignoró en gran medida el informe.

En el verano de 1989, un equipo de científicos de la Universidad de Minnesota estaba probando una cámara ultra sensible y, sin darse cuenta, capturaron una mancha brillante en lo alto de las nubes. El primer registro en blanco y negro de un TLE.

Primer imagen en blanco y negro. 5 de julio de 1989.

Los videos tomados desde el transbordador espacial entre 1989 y 1991 ofrecieron otra visión de los extraños eventos. Estas capturas desencadenaron una avalancha de interés en los espectáculos eléctricos de la atmósfera superior.

Después de que una campaña aérea de 1994 captara las primeras imágenes en color y triangulara su posición sobre las tormentas, se les apodó "sprites" (duendes) por su naturaleza escurridiza.

Primer imagen color de la campaña 1994.

Rayos positivos y negativos

Para entender los TLE, primero debemos ver en detalle los rayos.

Los rayos negativos se producen cuando la base de la nube está cargada de forma negativa y el suelo bajo la misma posee una carga neta positiva. Se produce en este caso una transferencia de carga negativa desde la base de la nube al suelo. 

Algunos rayos (positivos) se forman en la parte alta de las nubes tormentosas (el “yunque” de los cumulonimbos principalmente), donde reside una alta concentración de cargas positivas. En este caso, se produce una transferencia de carga neta de la nube al suelo. Estos rayos suelen ser especialmente peligrosos ya que pueden alcanzar una zona en tierra que no esté muy próxima a la tormenta (a más de 10 km) y, dado que la capa de atmósfera que atraviesan es mayor, la corriente de pico de descarga puede ser hasta 10 veces superior a los rayos negativos. Este tipo de rayos CG (Cloud-Ground o Nube-Tierra) pueden ser predominantes en los meses de invierno y también en la fase disipativa de una tormenta. Los rayos positivos representan menos del 5% de todos los rayos.

Quien genera TLEs?

Son generados principalmente por rayos positivos que, como ya vimos, son 10 veces más fuertes que la variedad negativa.

No todos los golpes positivos crean un sprite; Se estima que alrededor del 2% de los golpes positivos son lo suficientemente poderosos como para activar sprites. En otras palabras, de cada 1000 rayos, solo uno tiene la potencia necesaria para generar TLEs.

Se requieren ráfagas poderosas alimentadas por mucha agitación o convección en las nubes. Esta agitación crea los entornos eléctricos complejos dentro de las tormentas eléctricas que dan lugar a la caída de rayos.

Lo que sucede cuando algo que generalmente no conduce electricidad (el aire, en este caso) recibe un voltaje enorme, y supera un determinado nivel, repentinamente la corriente eléctrica fluye a través de él. Este punto de quiebre, cuando el aire que normalmente es aislante se pone conductor, se llama tensión de ruptura. Y se produce el rayo.  

Funciona así: cuando un rayo positivo muy energético envía una carga hacia el suelo, de repente crea un campo eléctrico en el aire, por encima de la tormenta. Este campo tensiona la poco densa atmósfera superior, calentando rápidamente allí partículas cargadas eléctricamente. Cuando esas partículas excitadas interactúan con el nitrógeno en la atmósfera, producen destellos de luz de color rojo brillante.

Los sprites son esquivos, pero se han detectado en tierra y mar por igual en la mayor parte del mundo. Provocados por un rayo, aparecen en el límite entre la atmósfera y el espacio.

Los imponentes brillos se materializan alrededor de 70 km. sobre el suelo o más (la mayoría de los aviones comerciales vuelan a una altitud de 8 a 11 km.). Los grupos pueden extenderse 15 km. de ancho y 50 km. de arriba a abajo. 

Toman formas complejas. Son como copos de nieve; ninguno es idéntico. Hay sprites como zanahorias, que parecen un manojo sacado directamente del suelo, con puntas, raíces y todo. Hay sprites como columnas, ángeles majestuosos y medusas.

En detalle

Sprites

Son los mas faciles de detectar. Pueden aparecer directamente sobre una tormenta eléctrica activa como una descarga grande pero débil. Por lo general, ocurren al mismo tiempo que poderosos rayos CG positivos (rayos nube-suelo). Pueden extenderse hasta 100 km. desde la parte superior de la nube. Los sprites son en su mayoría rojos y por lo general no duran más de unos segundos, y sus formas se describen como medusas, zanahorias o columnas. Debido a que los sprites no son muy brillantes, solo se pueden ver de noche. Rara vez se ven a simple vista. 

Las imágenes ópticas con una cámara de alta velocidad de 10.000 fotogramas por segundo revelaron que los sprites son grupos de pequeñas bolas de ionización del tamaño de 10 a 100 metros.

Chorros azules y Chorros gigantes 

Emergen de la parte superior de la nube de tormenta, pero no están directamente asociados con los rayos de nube a tierra. Se extienden hacia arriba en conos estrechos que se abren en abanico y desaparecen a alturas de 40 a 50 km. Los Chorros gigantes van aún más alto a la ionosfera. Los jets azules duran una fracción de segundo y los pilotos de avion los han visto.

Elfos

Son regiones brillantes en forma de disco que se expanden rápidamente y que pueden tener hasta 450 km. de ancho. Duran menos de una milésima de segundo y ocurren sobre áreas de nubes activas con relámpagos. Los elfos resultan cuando un pulso electromagnético energético se extiende hacia la ionosfera. Fueron descubiertos en 1992 por una cámara de video muy sensible en el transbordador espacial y ahora se sabe que están asociados con destellos de rayos gamma terrestres (TGF). 

Los TGF fueron descubiertos en la década de 2000 por satélites diseñados para detectar rayos gamma cósmicos, ¡pero se descubrió que algunas señales provenían de tormentas eléctricas en la Tierra! 

El telescopio Compton ha determinado que ocurren unos 500 TGF diarios.

Aunque los detalles del mecanismo son inciertos, se está formando un consenso sobre los requisitos físicos. Se presume que los fotones TGF son emitidos por electrones que viajan a velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz que chocan con los núcleos de los átomos en el aire y liberan su energía en forma de rayos gamma. Grandes poblaciones de electrones energéticos pueden formarse por un crecimiento de avalancha impulsado por campos eléctricos. Es probable que el campo eléctrico sea proporcionado por un rayo, ya que se ha demostrado que la mayoría de los TGF ocurren dentro de unos pocos milisegundos de un evento de rayo. Más allá de esta imagen básica, los detalles son inciertos.

El proyecto Spritacular

Muchas preguntas rodean la ciencia de los sprites, como por ejemplo, cómo afectan la atmósfera superior y el circuito eléctrico global de la Tierra? Los sprites alteran brevemente las capas cargadas eléctricamente de la atmósfera superior, que alberga señales de comunicación como la radio. Los cambios allí pueden interrumpir esas señales.

Pero el desconocimiento es enorme. Para lograr revertirlo, la Dra. Burku Kosar, que trabaja en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, desarrollo una propuesta de ciencia ciudadana, denominada Spritacular.

Fotografia desde la ISS el 10 de agosto de 2015.

Invita a cazadores de Sprites de todo el mundo a compartir sus observaciones. El objetivo es construir una comunidad donde los investigadores y los científicos ciudadanos puedan compartir información y construir la primera base de datos de sprites de fuentes múltiples.

Con datos precisos de hora y ubicación, los científicos pueden conectar esas observaciones con datos satelitales y registros de las matrices de mapeo de rayos de la NASA o la Red Nacional de Detección de Rayos. Eso permitiría a los investigadores encontrar el llamado destello principal de cada sprite e identificar las propiedades de ese rayo. También podrían obtener información sobre las condiciones de la tormenta y la atmósfera cuando nació el sprite. “Hablando como un científico que está entusiasmado con estas cosas, trabajar con científicos ciudadanos obsesionados con los sprites es increíble”, dijo Kosar. “Juntos, vamos a construir una base de datos invaluable”.

Como fotografiar un sprite?

Es muy parecido a la fotografía astronómica de gran campo, con trípode.

Ver un sprite es una experiencia muy diferente a atraparlo en la cámara.

Para el ojo humano, son simplemente un parpadeo de luz sobre el horizonte. Esta velocidad no permite ver su complejidad. Armados con trípodes, cámaras sensibles a la luz (1200 a 3200 ISO) y largas exposiciones (20 o 30 segundos), los cazadores de sprites pueden revelar sus pequeños detalles.

Una imagen extremadamente rara que captura la aurora, los sprites rojos y una tormenta eléctrica en el mismo marco sobre Minnesota en mayo de 2013. nota las estrellas. (Crédito de la imagen: stormandsky.com).

Esta es otra razón más por la que los cielos oscuros son cruciales: la contaminación lumínica imposibilitaría las largas exposiciones utilizadas para atrapar sprites. Con cielos oscuros y una vista sin obstrucciones de una tormenta lejana, el equipo básico, como una cámara DSLR en la configuración correcta, puede enganchar a los sprites con éxito.

También es importante saber dónde colocarse. La persecución de sprites podría considerarse una forma más segura de persecución de tormentas. Una tormenta amenazante es deseable. Pero debido a que los sprites aparecen por encima de las tormentas eléctricas, para cualquier esperanza de detectar uno, debes buscarlos desde muy lejos. Si la tormenta eléctrica está sobre tu cabeza, no solo te empaparás, sino que las nubes oscurecerán cualquier sprite. El punto óptimo está entre 150 y 450 km. de distancia de la tormenta, lo suficientemente lejos como para ver por encima de las nubes.

Si logras fotografiar uno, envíanos la foto. (y súbela a Spritacular!)