En esta impresión artística, un avión espía de la NASA de gran altitud lleva instrumentación para registrar destellos de rayos gamma terrestres de color púrpura en las nubes de tormenta. Crédito: Equipo NASA/ALOFT.
por Mariah Lucas, Universidad Estatal de Pensilvania
Aunque los científicos han comprendido desde hace tiempo cómo caen los rayos, los fenómenos atmosféricos precisos que los desencadenan dentro de las nubes de tormenta siguen siendo un misterio desconcertante. Este misterio podría resolverse ahora gracias a un equipo de investigadores dirigido por Victor Pasko, profesor de ingeniería eléctrica en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Penn State, que ha revelado la poderosa reacción en cadena que desencadena los rayos.
En el estudio publicado hoy (28 de julio) en el Journal of Geophysical Research , los autores describieron cómo determinaron que los fuertes campos eléctricos en las nubes de tormenta aceleran los electrones que chocan con moléculas como el nitrógeno y el oxígeno, produciendo rayos X e iniciando un diluvio de electrones adicionales y fotones de alta energía: la tormenta perfecta de la que nacen los rayos.
«Nuestros hallazgos proporcionan la primera explicación precisa y cuantitativa de cómo se originan los rayos en la naturaleza», afirmó Pasko. «Conectan los rayos X, los campos eléctricos y la física de las avalanchas de electrones».
El equipo utilizó modelos matemáticos para confirmar y explicar las observaciones de campo de fenómenos fotoeléctricos en la atmósfera terrestre: cuando los electrones de energía relativista, generados por los rayos cósmicos que entran en la atmósfera desde el espacio exterior, se multiplican en los campos eléctricos de las tormentas eléctricas y emiten breves ráfagas de fotones de alta energía. Este fenómeno, conocido como destello terrestre de rayos gamma, comprende las ráfagas invisibles de rayos X y las emisiones de radio que las acompañan.
«Al simular condiciones con nuestro modelo que replicaban las condiciones observadas en el campo, ofrecimos una explicación completa de los rayos X y las emisiones de radio presentes en las nubes de tormenta», dijo Pasko.
Demostramos cómo los electrones, acelerados por fuertes campos eléctricos en las nubes de tormenta, producen rayos X al colisionar con moléculas de aire como el nitrógeno y el oxígeno, y crean una avalancha de electrones que producen fotones de alta energía que inician los rayos.
Zaid Pervez, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica , utilizó el modelo para hacer coincidir las observaciones de campo (recopiladas por otros grupos de investigación que utilizan sensores terrestres, satélites y aviones espías de gran altitud) con las condiciones de las nubes de tormenta simuladas.
«Explicamos cómo ocurren los eventos fotoeléctricos, qué condiciones deben darse en las nubes de tormenta para iniciar la cascada de electrones y qué causa la amplia variedad de señales de radio que observamos en las nubes, todo antes de que caiga un rayo», dijo Pervez.
Para confirmar nuestra explicación sobre el inicio de los rayos, comparé nuestros resultados con modelos previos, estudios de observación y mi propio trabajo sobre un tipo de rayos llamados descargas internubes compactas, que suelen ocurrir en regiones pequeñas y localizadas en las nubes de tormenta.
Publicado por Pasko y sus colaboradores en 2023, el modelo de Descarga Fotoeléctrica por Retroalimentación (Photoelectric Feedback Discharge ) simula las condiciones físicas en las que es probable que se origine un rayo. Las ecuaciones utilizadas para crear el modelo están disponibles en el artículo para que otros investigadores las utilicen en sus propios trabajos.
Además de descubrir el inicio de los rayos, los investigadores explicaron por qué los destellos de rayos gamma terrestres a menudo se producen sin destellos de luz ni ráfagas de radio, que son características habituales de los rayos durante las tormentas.
«En nuestro modelo, los rayos X de alta energía producidos por avalanchas de electrones relativistas generan nuevos electrones semilla impulsados por el efecto fotoeléctrico en el aire, amplificando rápidamente estas avalanchas», dijo Pasko.
Además de producirse en volúmenes muy compactos, esta reacción en cadena descontrolada puede ocurrir con una intensidad muy variable, lo que a menudo genera niveles detectables de rayos X, acompañados de emisiones ópticas y de radio muy débiles. Esto explica por qué estos destellos de rayos gamma pueden surgir de regiones fuente que parecen ópticamente tenues y radiosilenciadas.
Además de Pasko y Pervez, los coautores incluyen a Sebastien Celestin, profesor de física en la Universidad de Orléans, Francia; Anne Bourdon, directora de investigación en la École Polytechnique, Francia; Reza Janalizadeh, científico de la ionosfera en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA y ex investigador postdoctoral de Pasko en Penn State; Jaroslav Jansky, profesor asistente de ingeniería eléctrica y comunicación en la Universidad Tecnológica de Brno, República Checa; y Pierre Gourbin, investigador postdoctoral de astrofísica y física atmosférica en la Universidad Técnica de Dinamarca.
Más información: El efecto fotoeléctrico en el aire explica la iniciación de rayos y los destellos de rayos gamma terrestres, Journal of Geophysical Research (2025). DOI: 10.1029/2025JD043897
