Un avión espía observa cómo las tormentas producen nubes radioactivas y antimateria

En 1960, la Unión Soviética derribó el avión del piloto estadounidense Francis Gary Powers mientras sobrevolaba Ekaterimburgo. El aviador fue capturado vivo y condenado a 10 años de cárcel, mientras se exhibían en público los restos del fuselaje. Aquello se llamó incidente U2, por el nombre del avión espía que pilotaba Powers, que se había diseñado a petición de la CIA para volar a gran altitud y fotografiar los arsenales comunistas sin ser detectado.

Seis décadas después, el mismo tipo de avión, reconvertido para uso científico, ha permitido observar como nunca antes lo que sucede dentro de una tormenta eléctrica. A pesar de la capacidad para estudiar estos procesos desde Tierra y desde el espacio, se ignora cómo se desencadenan los rayos, capaces por un instante de calentar la atmósfera a 20.000 grados, tres veces más que la superficie del Sol.

En julio de 2023, la Agencia Espacial de Estados Unidos realizó 10 vuelos con su avión ER-2, del mismo tipo que los U2 de la Guerra Fría. Su objetivo era hacer un experimento sin precedentes: subir hasta 20 kilómetros y sobrevolar cuantas veces fuera posible las peores tormentas tropicales que hubiese en ese momento en el Caribe y América Central. Este avión de reacción es capaz de planear durante horas cargado de instrumentos científicos. En Tierra, un equipo de investigadores, meteorólogos y militares van guiando al aviador y le avisan de dónde va a producirse la próxima descarga eléctrica con una palabra en clave: “glow!”, resplandor en inglés. El piloto pasa a apenas dos kilómetros y medio de las nubes y sus descargas eléctricas. Es lo más cerca que la ciencia ha estado de una tormenta.

Los resultados de la campaña desvelan que los temporales generan radiactividad en forma de rayos gamma, el tipo de radiación que también producen las explosiones nucleares o la desintegración de elementos como el uranio. Aunque otros experimentos habían demostrado la existencia de este fenómeno, las dimensiones observadas por el avión espía de la NASA son nunca vistas. Las tormentas generan rayos gamma durante horas y cubren áreas de más de 9.000 kilómetros cuadrados.

En dos estudios publicados este miércoles en Nature, referente de la mejor ciencia mundial, los científicos comparan el fenómeno con una olla de agua hirviendo. Cada burbuja correspondería a un resplandor de rayos gamma que dura fracciones de segundo, y que enciende el cielo de destellos de luz invisibles al ojo humano.

Por su diseño, solo un piloto puede volar dentro del ER-2, enfundado en un traje presurizado como el de los astronautas. Uno de ellos dijo que las nubes tenían “un extraño color púrpura por el enloquecido ritmo al que descargaban los rayos”, explica a este diario Steve Cummer, ingeniero eléctrico de la Universidad Duke (Estados Unidos), y coautor del primer estudio. “Por primera vez sabemos que este proceso es muy común, de forma que los rayos, un proceso visual espectacular, y los rayos gamma, invisibles sin el equipo adecuado, trabajan al unísono para descargar la energía”, detalla.

Las nubes de tormenta son los mayores aceleradores de partículas naturales de la Tierra, resume Martino Marisaldi, físico de la Universidad de Bergen, en Noruega, y coautor del segundo estudio. “En todo momento, en el planeta tenemos unas 2.000 nubes de tormenta activas y cada segundo se producen unos 45 rayos. Es uno de los procesos más poderosos que podamos imaginar y es esencial entender cómo sucede”, resalta.

La gran incógnita sobre los rayos es que para producirlos hacen falta campos eléctricos diez veces mayores que los que hasta ahora se han observado dentro de las tormentas, por lo que no se sabe cómo se desencadena realmente el estallido de electricidad.

Estos científicos han descubierto un nuevo tipo de rayo gamma dentro de la tormenta llamado destello de rayos gamma titilante (TGF, en sus siglas en inglés). Este fenómeno es “el eslabón perdido” que conecta los dos tipos de rayo gamma ya conocidos, los resplandores, que pueden llegar a durar más de un minuto, y los destellos terrestres, que son más intensos pero duran microsegundos. Los TGF suceden justo después de los destellos y antes de los rayos. Esto implica que hay un proceso hasta ahora desconocido que descarga parte de la energía en forma de rayos gamma, y que a su vez podría ser el paso previo para que se forme un rayo.

“Si no se diese este proceso, las tormentas estarían mucho más electrificadas y probablemente generarían descargas mucho más potentes y peligrosas”, reconoce Cummer. La nueva información encaja bien con lo que se sabía desde el punto de vista cosmológico: los rayos gamma son la radiación más potente del universo y en fracciones de segundo liberan más energía que todas las estrellas del universo.

Dentro de las nubes de tormenta también sucede otro proceso con nombre de película de ciencia-ficción: avalancha de electrones relativistas fuera de control. Son relativistas porque viajan a casi la velocidad de la luz, el límite máximo permitido en el universo, según la teoría de la relatividad de Albert Einstein. Cuando esos electrones chocan con moléculas de aire, generan electrones y fotones de alta energía. El potencial dentro de la nube se hace tan grande que también se crean positrones, las partículas de antimateria complementarias del electrón, pero con carga opuesta. “Ahora sabemos que muchas tormentas brillan con rayos gamma y crean antimateria”, resume Cummer.

Los responsables del trabajo creen que ahora están un poco más cerca de entender exactamente cómo se genera un rayo. “Por primera vez vemos que los rayos gamma no son una curiosidad científica, sino un proceso fundamental que probablemente se produce en todas las tormentas con campos eléctricos lo suficientemente grandes”, resalta Marisaldi. Esto incluiría no solo las tropicales, sino también las que pueden producirse en Europa, asegura. “Este trabajo nos muestra ahora la forma de seguir investigando cómo la producción de partículas energéticas genera los rayos, uno de los mayores enigmas de la física de la atmósfera”, añade.

Los científicos creen que los temporales de rayos gamma no entrañan riesgos para las personas. Habría que estar muy cerca de uno de estos destellos para poder recibir una dosis significativa. Lo que sí entraña riesgos es acercarse más a una tormenta. Lo más peligroso de meter un avión en una de estas tempestades serían las enormes turbulencias, que podrían tumbar la nave. Los rayos, en cambio, no son demasiado preocupantes. Es relativamente frecuente que un avión comercial reciba una descarga eléctrica —sucede unas dos veces al año— , y en la mayoría de los casos no hay ningún daño.

Estos dos nuevos trabajos se inscriben en un campo emergente: la física atmosférica de altas energías, explica en un comentario independiente el físico y matemático Joseph Dwyer, de la Universidad de New Hampshire (Estados Unidos). “Es alucinante que pasadas dos décadas del comienzo del siglo XXI, la atmósfera de la Tierra tenga suficientes sorpresas guardadas como para inaugurar todo un nuevo ámbito de la ciencia”. Los estudios realizados con aparatos como el antiguo avión espía de la NASA pueden ser “una revolución en nuestra comprensión de la electrificación de las tormentas y los rayos”, añade.