Fenómenos Luminosos Transitorios en la alta atmósfera

Los sprites/espectros, blue jets/chorros o surtidores azules, gnomos, pixies y más

 

 

RAM

Nota de la redacción. Este trabajo nace a la pregunta de un lector de la RAM que nos hizo hace tiempo. El tema también ha aparecido en el foro meteorológico en Meteored. Usaremos indistintamente la terminología anglosajona o española para nombrar a estos eventos.

Imagen esquemática y conceptual de distintos fenómenos eléctricos y luminosos generados por ciertas tormentas intensas. Imagen tomada de Internet, en su versión inglesa, y adaptada al español. La imagen originaria es de Lyons et al. (2000) de la American Geophysical Union.

“Me acercaba a un torreón convectivo muy intenso cercano a mi altitud y que estaba siendo iluminado desde dentro por sus frecuentes descargas eléctricas. La nube no había formado su yunque característico. Sorprendentemente vi …. una descarga de luz brillante, de color blanco amarillento que procedía directamente del centro de la nube y se extendía verticalmente hacia arriba sobre mi altitud. La descarga fue casi recta, como un rayo de luz, sin ramificaciones. Su duración fue más grande que un rayo normal, como mucho de 5 segundos”.

Descripción de Ronald Willians, piloto de la NASA de U-2, que en 1973 estaba volando sobre un tifón en el Golfo de Tonkin a una altitud de unos 20 km. Texto tomado de una artículo de la Weather (Vonnegut,1980).

Introducción

La presencia de fenómenos luminosos nocturnos asociados a los topes de las tormentas queda reflejada en publicaciones seudo meteorológicas de los años de finales del siglo XIX, cuando varios observadores se hicieron eco de resplandores inexplicables que coronaban las tormentas.

Se les comenzó a denominar rayos nube-espacio, nube-ionosfera o nube-alta atmósfera, y su descripción básica recordaba a llamaradas o resplandores ascendentes que partían desde la cima de las nubes tormentosas hacia lo alto de la alta atmósfera y el espacio. Estas observaciones no fueron tenidas muy en serio durante muchos años.

Posteriormente, se les comenzó a prestar atención y prestigiosos físicos proponían una posible hipótesis para la formación de fenómenos electro-luminosos que se producían por encima de las tormentas. En 1956, C.T.R. Wilson (premio Nobel de Física) ya comentaba y avanzaba la posibilidad de la existencia de descargas eléctricas en las tormentas podía tener su reflejo entre el tope de la tormenta y la ionosfera.

Los avistamientos de lo que hoy llamamos sprites o espectros se siguieron dando desde latitudes ecuatoriales hasta los 50 º norte – sur, allí donde las tormentas ejercen su dominio. La indiferencia de la comunidad científica a estas fulguraciones luminosas fue casi absoluta durante bastante tiempo.

El profesor Winckler y su grupo de la Universidad de Minnesota, estaban probando un sistema de cámara de video CDD de alta sensibilidad en condiciones de baja luminosidad cuando vieron por accidente las señales de lo que hoy denominamos espectros o sprites. Fue el 6 de julio de 1989.


Emanación luminosa desde el tope de una tormenta muy activa

Emanaban fulguraciones muy llamativas de tormentas muy activas y lejanas que en esos momentos generaban gran cantidad de rayos nube-tierra positivos, NT+.

Posteriormente, Davis Sentman de la Universidad de Alaska en Fairbanks descubrió los blue jets o chorros azules. Fue en 1994.

“Blue jets” o surtidores azules. A esta foto se le ha añadido una tonalidad azul para ilustrar lo que vería el ojo humano. La cámara, que tomó la foto, fue solo capaz de captar las emanaciones en tonalidades verdosas debido a las bajas condiciones de luminosidad. Foto de la Universidad de Penn.

La NASA se puso rápidamente a tratar de observar y estudiar tal fenomenología desde sus satélites tripulados con cámaras de video muy sensibles y lograron captar sprites en diversos lugares de la tierra y siempre asociados a tormentas muy activas.

A finales de 1999 y principios del 2000 ya se habían detectados otros fenómenos electro-luminosos en la alta atmósfera que emanaban o se situaban en las cimas de las tormentas: los elves o elfos.

Estudios más detallados pusieron de manifiesto que los sprites estaban asociados casi siempre a la existencia simultanea de rayos nube-tierra positivos. Posteriormente, se detectaron otras emanaciones como son los halos de espectros (sprite halos), los trolls, crawlers, pixies, gnomos, etc. Todas estas diferentes manifestaciones de energía, que salían de los topes de las tormentas eléctricas, son lo hoy en día se conocen como Eventos Luminosos Transitorios (Transient Luminous Events, TLE,s). Analicemos algunos de ellos con un poco más de detalle.

Descripción observacional de los sprites/espectros

La mayoría de los sprites proceden de intensas descargas NT+. Sólo dos casos de sprites están asociados a rayos nube-tierra negativos, NT-. En promedio, los rayos NT+ que llevan sprites son los más intensos que el resto de los NT+ que no los llevan.

Su color es fundamentalmente el rojo, aunque en su porción más baja aparecen filamentos azulados. Se presentan agrupados, nunca solos: en agrupaciones de dos, tres o más descargas luminosas. Su duración es muy corta, del orden de milisegundos, muy difíciles de ver a simple vista.

Emanación luminosa de sprites

Las cámaras ultrasensibles y rápidas pusieron de manifiesto que los sprites se originan a unos 70 km de altura sobre la tormenta, en un pequeño punto. Primero se extienden hacia abajo y, posteriormente, hacia arriba. Suelen estar asociado a grandes sistemas tormentosos: los llamados Sistemas Convectivos de Mesoescala, SCM. Emanan de los topes nubosos de las zona estratiforme ligada a la convección. Se sospecha que la máxima actividad de los sprites se alcanza a medianoche. Un gran sistema convectivo puede dar lugar de 1 a 776 sprites, aunque por término medio suele ser 48. Cuando la actividad tormentosa es significativa se puede dar un espectro cada 12 segundos aunque lo normal es que sea de uno cada 2-5 min. Recientes estudios han demostrado que los sprites suelen darse en SCM cuya zona estratiforme alcanza unas extensiones del orden de los 20. 000 km2.

No existen dos duendes iguales. Los llamados c-sprites son estrechos (1 km) y alargados, tomando formas de columnas. Otros recuerdan a zanahorias invertidas. Algunos presentan estructuras más complejas dando una apariencia de sucesivas irrupciones o emanaciones que recuerdan a danzantes, los “dancers”. Existen otros que no poseen formas definidas.

Descripción de los elfos y los halos de espectros

Comentamos con anterioridad que el físico Wilson pronosticó algún tipo de existencia de fenómenos electro-luminosos entre la tormenta y la alta atmósfera antes de que se observaran. Con los elfos pasó algo parecido. A principios de los 90 cuando se observaban los primeros espectros, algunos físicos teóricos se adelantaron y predijeron la existencia de pulsos electromagnéticos que podrían emanar de las tormentas (Universidad de Stanford, EEUU). Estos brillos o resplandores se darían en la baja ionosfera entre los 80 y 100 km de altitud. En 1994 se detectó por primera vez las señales de los llamados elfos (elves) y confirmado su existencia en el año posterior.


Primer elfo detectado con una cámara convencional de alta sensibilidad desde un satélite tripulado. Foto NASA

Los elfos son estructuras cuasi – toroidales en expansión que llegan a tener varios cientos de kilómetros de ancho. Medidas fotométricas indican que su color intrínseco es el rojo. Su duración es muy corta (menos de 500 microsegundo) pero relativamente brillantes.

Una vez más, los elfos se generan después de la existencia de rayos NT muy intensos y, predominantemente, positivos aunque también son generados por los negativos. Cámaras extremadamente sensibles y ultra rápidas de TV pueden detectar los elfos.

Recientemente, se han observado espectros que van precedidos por un resplandor difuso en forma de disco que recuerda en su forma a los elfos. Los científicos prefieren llamar a estas estructura halos de espectros porque, dimensionalmente, son más pequeños que los elfos, propiamente dichos. Otro hecho llamativo de los halos de espectros es que se propagan hacia abajo desde los 70-80 km de altura.


a)


b)

Halos de espectros. a) Ejemplo básico. b) Variación temporal y relación visual entre un rayo +, NT+, (CG+, inglés), ondas VHF y su halo de espectro asociado.


Gnomos y pixies

Durante una campaña especial dedicada a estudiar la actividad tormentosa de la convección en EEUU (proyecto STEP 2000), se analizaron en detalle los orígenes y evolución de los rayos NT+ con diversos sensores. Cámaras de televisión de baja luminosidad, LLTV, se emplearon para ello. En el estudio de una tormenta muy activa ocurrida el 22 de Julio del 2000, y durante la fase de su desarrollo vertical se detectaron unas fuentes luminosas que no se habían observado antes en el domo o parte alta que sobresale de la tormenta (“overshooting dome”) y que continuó durante 20 min.


Descarga luminosa vertical, gnomo, que aparece en la parte más alta de la nube convectiva, arriba a la derecha. Una estrella aparece sobre la zona estratiforme de la nube, centro, como punto luminoso. La imagen fue tomada sobre una supercélula severa entre las 0612- 0633 UTC del 22 de julio del 2000. Foto de la BAMS (Bulletin American Meteorological Society).

Algunos tenían una duración muy corta (33-136 ms) eran canales de descarga parecido a rayos que se propagaban hacia arriba y que no se extendían más allá de 1 km de altura sobre la tormenta, su anchura era del orden de 200 m. Su estructura era muy uniforme y compacta y diferentes a los blue jets. Se les denomino “gnomos” por su tamaño.

Durante esos mismos 20 min. se apreciaron intensos y pequeños puntos que coronaban la protuberancia nubosa. Se contabilizaron 83 y a estos se les dio el nombre de “pixies”. Estos puntos luminosos se les estimó un tamaño horizontal del orden de 100 m y una duración de más de 16 ms.


Lugar de aparición de los pixies o puntos luminosos de corta duración sobre el domo de la tormenta anterior. Esquema de laBAMS ( Bulletin American Meteorological Society), Lyons et al., 2003.

No debemos pensar que las tormentas eléctricas no nos vayan a deparar más sorpresas. Se seguirán detectando más fenómenos electro-luminosos entre los topes tormentosos y la ionosfera, donde los gases a baja presión pueden responder a los potentísimos campos electromagnéticos que se generan en su interior.

Lo que empezó siendo fenómenos observados visualmente y de poca credibilidad, hoy se ha convertido en una rama de la alta atmósfera donde se emplean sofisticados medios de detección. Lo que si está claro es que nos enfrentamos a fenómenos que van desde un centena de metros a varios km. Su extensión en la vertical varía desde los 100 m a más de 50 km. Sus formas son variadas: puntos, chorros, formas toroidales, etc.. así como en su colorido. Mientras que los chorros azules, están en el limite de nuestra percepción humana, las descargas en forma de rayo vertical pueden durar varios segundos. Todos ellos tienden a formase en las zonas más vigorosas de la convección intensa. Mucho queda por investigar sobre su origen y el papel que desempeñan en la química de la estratosfera, circuito global atmosférico y en la seguridad aéro-espacial.

El mantenimiento del campo eléctrico terrestre (ionosfera cargada positivamente y la tierra con carga negativa) requiere que las tormentas eléctricas (que se comporta como una batería llevando cargas positivas a la alta atmósfera) sean capaces de mantener 300.000 voltios de diferencia de potencial (la batería de un coche puede tener 12 – 15 voltios) entre el sistema ionosfera-tierra. Es necesario entender cómo la batería está cargada y cómo se mantiene la diferencia de potencial.

Cómo detectarlos a simple vista

Nos referimos a los espectros o gnomos pues son los que ofrecen alguna posibilidad de observarlos. Las otras manifestaciones son muy difíciles de ver por el ser humano.

La mayoría de los espectros generados por una tormenta no son visibles a simple vista ya que se encuentran en la zona o umbral de percepción de nuestros ojos. Pero algunos sprites o gnomos sí se pueden ver, siempre y cuando tomemos las medidas oportunas.

Las condiciones de visualización a simple vista requieren que sean estas:

- Lugar con oscuridad casi absoluta, lejos de las grandes ciudades o focos luminosos.
- Que no exista la más mínima señal de la luz de la luna. Nuestro satélite es mal aliado y acompañante para estos menesteres.
- Buenas condiciones de visibilidad.
- El ojo humano debe estar adaptado a la oscuridad (al menos durante 5 min. o más)
- Buscar grandes tormentas en la lejanía que estén a 100-300 km de distancia
- Centrarse el las zonas “estratiformes” donde se den rayos NT+ o en los domos más altos.
- Elevar nuestra visión más allá del tope de la tormenta a analizar

Como vemos, es fundamental saber qué buscamos, cuándo lo buscamos y cómo lo encontramos. Y suerte.


Esquema conceptual para divisar fenómenos luminosos tormentosos de la alta atmósfera: caso de los sprites


Conclusiones: investigación actual y problemática

La aparición de estos fenómenos óptico-electromagnéticos que generaban las tormentas muy activas, ha atraído rápidamente la atención de investigadores, tanto en su faceta experimental como teórica. Lo que no cabe duda es que hoy en día forman parte de la cadena o eslabón eléctrica que existe en el planeta tierra y donde las tormentas son pieza clave en el mantenimiento del campo eléctrico terrestre.

Los análisis de los duendes, jets azules, etc.. abarcan campos que van desde la óptica y electromagnetismo atmosférico. Medidores terrestres y satelitarios se emplean para realizar medidas espectrales, de calor y energéticas puestas en juego, densidad de flujo de carga y electrones, su impacto en el campo magnético terrestre, propagación de ondas comerciales de radio y TV, etc… Las investigaciones llevadas a cabo incluyen la generación de potenciales residuos electroquímico de larga duración en la alta atmósfera.

Hasta ahora sólo podemos especular y realizar hipótesis del origen de estas estructuras dentro de la actividad eléctrica de tormentas muy activas y de su posible existencia en otros planetas de nuestro sistema solar.

Lo que sì es cierto es que el descubrimiento de los duendes, las emanaciones de chorros azulados, gnomos, etc., han puesto de manifiesto la existencia de nuevas formas y estructuras eléctricas asociadas a las tormentas como son la irrupciones súbitas de rayos gamma que se han detectado en el Compton Gamma Ray Observatory. Pares pulsantes de radiación de VHF, llamadas TIPPS, Trans-Ionospheric Pulse Pairs, que se originan en regiones tormentosas, pero 10.000 veces más intensas que los rayos convencionales, han sido observadas por el satélite ALEXIS. Mucho queda por observar, analizar y comprender a estos fenómenos.

Algunas referencias más en:

http://www.nature.com/nsu/nsu_pf/020311/020311-6.html

http://www.fma-research.com/Papers&presentations/spr-view-1.html

Puedes ver un reportaje muy reciente en este artículo de la BAMS (Bulletin American Meteorology Society) en inglés y pdf.

http://ams.allenpress.com/amsonline/?request=get-pdf&file=i1520-0477-084-04-0445.pdf

Una secuencia en la página de la revista Nature:

http://www.nature.com/nsu/020311/020311-6.html

Pinchar en “movie”.

Más en sobre estos fenómenos:

http://elf.gi.alaska.edu/

http://ibis.nmt.edu/sprites/sprites.html

http://elf.gi.alaska.edu/sprites.html

 

Referencia bibliográfica actualizada

Lyons, W. A., R.A. Armstrong, E.R. Williams, and E.A. Bearing, 2000: the hundred year hunt for the sprites. Eos, Trans. Amer. Geophys. Union, 81, 373-377.

Lyons, W.A., T.E. Nelson, R. A. Amstrong, V.P. Pasco, and M.A. Stanley, 2003: Upward electrical discharges from thunderstorm tops, Bulletin American Meteorology Society, April- 2003, 445-454.

15 pensamientos en “Fenómenos Luminosos Transitorios en la alta atmósfera

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  2. ANKIL

    Tengo entendido que la descarga Electrica Normales, pueden ser Positiva y Negativa o Descargas Electricas Nube-Tierra y Tierra-Nube. Cual es la Positiva y cual es la Negativa?

  3. patricia raquela

    faltaa demaciada informacion i no hay lo que buscan tiene que tener mas informacion pera lo que esta informado esta bien gracias chau jji

  4. osvaldo lascalea

    Existe un documental muy reciente que pasaron en Discovery referente a los fenómenos atmosféricos de los que estamos hablando. Dicho muy suscintamente, estos fenómenos están vinculados con los rayos cósmicos. Se producen por la gran actividad cósmica de ciertas regiones estelares. Cuando puedan, vean el documental de Discovery: es muy instructivo, de buen nivel.

  5. Mariana

    No se como pueden pedir más información si con la gramática espantosa que tienen DUDO que entiendan siquiera un texto de kindergarden. Niños no engañan a nadie.

  6. limino

    garcias por todos……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

  7. RUTH

    me puede decir que fue lo que paso en el cielode punta arenas que atravezo de norte a sur a las 20.30 horas del lunes

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