En un proyecto de investigación adelantado por la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales en colaboración con científicos europeos se realizaron mediciones muy cerca de las tempestades, cuyos resultados arrojan luces sobre este fenómeno y prometen transformar nuestra comprensión tanto de la actividad eléctrica atmosférica como del origen de los rayos que vemos en el cielo y su impacto sobre la vida en la Tierra.

Los rayos gamma son radiaciones electromagnéticas, grupos de partículas de la luz que no tienen masa, solo energía, con más potencia incluso que los rayos X, aunque imperceptibles para el ojo humano. Y son característicos de los eventos energéticos más poderosos conocidos del universo, como las explosiones cósmicas o las supernovas.

Los destellos de rayos gamma terrestres ocurren en la atmósfera terrestre cuando los electrones se aceleran por los intensos campos eléctricos que se generan dentro de las tormentas. Estos electrones acelerados chocan con átomos y moléculas generando en el proceso emisiones de rayos gamma.

Hasta ahora la mayoría de los destellos de rayos gamma terrestres han sido observados desde satélites en órbita alrededor de la Tierra, lo que ha limitado en gran medida la comprensión de cuán comunes son realmente estos fenómenos. No obstante, estos nuevos estudios sugieren que una cantidad significativa de rayos más débiles podrían estar ocurriendo en niveles más bajos de la atmósfera, donde no han sido detectados por los satélites.

Una nueva perspectiva de los rayos

Un grupo de científicos del Observatorio Aéreo para Rayos Gamma Terrestres y Simulador de Relámpagos (ALOFT) logró acercarse como nunca a estos rayos, capaces de destruir la ropa o la piel, en un proyecto que utiliza un avión de investigación de gran altitud, el ER-2, para volar a través de tormentas eléctricas y captar estos destellos desde mucho más cerca que los satélites.

El avión, diseñado por la NASA, vuela a una altitud de 20km, lo que le permite estar más cerca de las zonas donde se generan los destellos de rayos gamma terrestres sin entrar en las regiones peligrosas de las tormentas.

En julio de 2023, durante los vuelos realizados en América Central y el Caribe, los científicos detectaron más de 130 destellos de rayos gamma en solo 60 horas de vuelo. Esto representa un número significativo de destellos de rayos gamma terrestres no observado antes desde el espacio.

Uno de los eventos más reveladores ocurrió el 24 de julio, cuando el avión sobrevolaba una tormenta eléctrica. A pesar de que la Estación Espacial Internacional (ISS) estaba observando la misma tempestad desde el espacio, no detectó ningún destello de rayos gamma terrestres, mientras el avión ER-2 capturó 6.

Este descubrimiento sugiere que los destellos de rayos gamma terrestres ocurren con mucha más frecuencia de lo que se conocía, pero aquellos más débiles no se han detectado por las limitaciones de los instrumentos espaciales.

El investigador Camilo Younes Velosa, Ph.D. en Ingeniería y magíster en Ingeniería Eléctrica con Énfasis en Alta Tensión, profesor asociado de la U. Nacional sede Manizales y coautor del estudio, explica que “estos destellos de rayos gamma terrestres de menor intensidad pasan desapercibidos para los satélites debido a su debilitamiento a medida que la radiación se dispersa en la atmósfera. No obstante, al volar más cerca de las tormentas hemos podido detectarlos de manera mucho más clara”.

Tecnología para ver lo invisible

Para este estudio, el avión ER-2 estaba equipado con un conjunto de detectores de bismuto-germanato capaces de captar rayos gamma en un rango de 300keV a 40MeV, medidas utilizadas para medir la energía de un electrón acelerado.

Estos detectores, altamente sensibles, permitieron observar no solo los destellos de rayos gamma terrestres más intensos, sino también aquellos más débiles. Además, el avión contaba con un simulador óptico diseñado para observar los relámpagos, lo que les permitió a los científicos correlacionar los destellos de rayos gamma con los relámpagos de las tormentas –los que sí podemos percibir– lo que podría ayudar a descifrar el enigma de su origen.

Los investigadores también utilizaron simulaciones por computador para estudiar el comportamiento de los destellos de rayos gamma terrestres dentro de las tormentas eléctricas. Estas simulaciones demostraron que los rayos gamma detectados desde el avión eran entre 2 y 5 veces más débiles que aquellos observados desde satélites en el espacio, lo que confirma la hipótesis de que existe una población significativa de destellos de rayos gamma terrestres de baja intensidad que no se había estudiado hasta ahora.

“Nuestros detectores nos permitieron ver fenómenos que antes simplemente no se podían observar desde el espacio”, afirma el investigador Younes.

Más preguntas por resolver

El descubrimiento de esta nueva población de destellos de rayos gamma terrestres más débiles tiene implicaciones profundas para la ciencia atmosférica. Hasta ahora se pensaba que estos eran relativamente raros, pero esta nueva investigación sugiere que podrían ser mucho más comunes de lo que se creía. “Este hallazgo nos obliga a replantear la frecuencia y distribución de estos destellos. Podría haber miles de ellos que no estamos detectando desde el espacio”, comenta el doctor en Ingeniería.

Además este descubrimiento tendría implicaciones para la seguridad aeronáutica. Aunque los destellos de rayos gamma terrestres no representan un peligro inmediato para los aviones, entender cómo interactúan los campos eléctricos intensos dentro de las tormentas, con la atmósfera y las partículas cargadas, ayudaría a mejorar la seguridad de los vuelos a través de estas regiones.

El descubrimiento de esta nueva población de destellos de rayos gamma terrestres plantea preguntas fascinantes para los científicos, entre ellas ¿cómo se generan exactamente estos destellos, o por qué algunos destellos de rayos gamma terrestres son mucho más débiles que otros? Los investigadores ya están planeando nuevas misiones aéreas para seguir estudiando estos fenómenos. El objetivo es recolectar más datos y mejorar las simulaciones por computador para entender mejor cómo interactúan los electrones acelerados con las partículas en la atmósfera durante una tormenta eléctrica.

El profesor Younes concluye: “Este solo es el comienzo. Hemos abierto una nueva ventana para explorar los fenómenos eléctricos en la atmósfera terrestre, y a medida que mejoremos nuestras herramientas de detección seremos más capaces de descubrir más sobre cómo funcionan estos procesos”.

Lo que sigue

El equipo también espera que este nuevo enfoque para estudiar los destellos de rayos gamma terrestres desde aviones a gran altitud pueda mejorar los modelos atmosféricos y ayudar a los científicos a predecir con mayor precisión la formación de rayos gamma en las tormentas. “Esto nos ayudaría a entender mejor otros fenómenos relacionados como los relámpagos y las descargas eléctricas en la atmósfera”, agrega Younes.

“A largo plazo, los estudios sobre los destellos de rayos gamma terrestres también tendrían aplicaciones prácticas en la ciencia y la tecnología. Por ejemplo, los electrones acelerados en estos campos eléctricos son similares a los que se utilizan en aceleradores de partículas. Comprender mejor estos fenómenos podría conducir a nuevas tecnologías en el campo de la energía y en el estudio de la física de partículas”, sostiene el investigador.

Además, el descubrimiento de los rayos más débiles que pasan desapercibidos desde el espacio sugiere que hay mucho más que aprender sobre cómo interactúa la radiación gamma con la atmósfera terrestre. Este es un campo de estudio que apenas está comenzando a ser explorado en profundidad, y los próximos años prometen ser emocionantes para los científicos que se dedican a esta área.

*Con información de la Universidad Nacional.

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