Un estudio detallado en 3D de una descarga eléctrica masiva que se elevó 50 millas en el espacio sobre una tormenta eléctrica en Oklahoma ha proporcionado nueva información sobre un fenómeno atmosférico escurridizo conocido como jets gigantes.
La descarga de Oklahoma fue el jet gigante más poderoso estudiado hasta la fecha, con una carga eléctrica 100 veces mayor que la de un rayo típico.
El jet gigante transportó aproximadamente 300 culombios de carga eléctrica desde la tormenta hasta la ionosfera, el fondo del espacio.
Los relámpagos típicos transportan menos de cinco culombios entre la nube y el suelo o dentro de las nubes.
La descarga ascendente incluyó corrientes de plasma relativamente frías (alrededor de 400 grados Fahrenheit), así como estructuras llamadas líderes que son muy calientes, más de 8,000 grados Fahrenheit.
“Pudimos mapear este chorro gigante en tres dimensiones con datos de muy alta calidad”, dijo Levi Boggs, científico investigador del Instituto de Investigación Tecnológica de Georgia (GTRI) y autor correspondiente del artículo.
“Pudimos ver fuentes VHF de muy alta frecuencia sobre la capa de nubes que nunca antes se habían visto con este nivel de detalle. Usando datos satelitales y de radar, pudimos determinar dónde se encontraba la mayor parte de la descarga, que era muy caliente, sobre la nube”.
Boggs trabajó con un equipo de investigación de varias organizaciones, incluidas la Asociación de Investigación Espacial de las Universidades (USRA), la Universidad Tecnológica de Texas, la Universidad de New Hampshire, la Politécnica de Cataluña, la Universidad de Duke, la Universidad de Oklahoma, el Laboratorio Nacional de Tormentas Severas de la NOAA y el Laboratorio Nacional de Los Álamos.
Steve Cummer, profesor de ingeniería eléctrica e informática de Duke, utiliza las ondas electromagnéticas emitidas por los rayos para estudiar el poderoso fenómeno.
Dirige un sitio de investigación donde se colocan sensores similares a las antenas tradicionales en un campo vacío, a la espera de captar señales de tormentas locales.
“Las señales VHF y ópticas definitivamente confirmaron lo que los investigadores habían sospechado pero aún no probado: que las radios VHF son radiadas por rayos desde pequeñas estructuras llamadas serpentinas, ubicadas en la punta misma del rayo en desarrollo durante la corriente eléctrica más fuerte mucho más allá de los flujos de la punta en un canal eléctricamente conductor llamado conductor”, dijo Cummer.
Doug Mach, coautor del artículo de la Asociación de Investigación Espacial de las Universidades (USRA), dijo que el estudio es único porque encontró que las ubicaciones 3D para las emisiones ópticas del flash estaban muy por encima de la capa de nubes.
“El hecho de que el jet gigante fuera detectado por múltiples sistemas, incluido Lightning Mapping Array y dos instrumentos de rayos ópticos geoestacionarios, fue un evento único y nos brinda mucha más información sobre los chorros gigantes”, dijo Mach.
“Más importante aún, esta es probablemente la primera vez que se mapea tridimensionalmente un chorro gigante sobre las nubes utilizando el conjunto de instrumentos Geostationary Lightning Mapper (GLM)”.
Los chorros o jet gigantes se han observado y estudiado durante las últimas dos décadas, pero dado que no existe un sistema de observación dedicado para buscarlos, los descubrimientos han sido raros.
Boggs se enteró del evento de Oklahoma por un colega que le contó sobre un avión gigante fotografiado el 14 de mayo de 2018 por un científico ciudadano que operaba una cámara con poca luz.
Afortunadamente, el evento tuvo lugar en un lugar con un sistema de mapeo de rayos VHF cercano, dentro del alcance de dos sitios de radar meteorológico de próxima generación (NEXRAD) y accesible a los instrumentos en la red de satélites ambientales operativos geoestacionarios (GOES) de la NOAA.
Boggs encontró disponibles los datos de estos sistemas y trabajó con colegas para reunirlos para su análisis.
“Los datos detallados mostraron que estas serpentinas frías comienzan su propagación justo por encima de la capa de nubes”, explicó Boggs.
“Se extienden hacia la ionosfera inferior a una altitud de 50 a 60 millas y proporcionan una conexión eléctrica directa entre la parte superior de la nube y la ionosfera inferior, que es la parte inferior del espacio”.
Esta conexión transfiere miles de amperios de electricidad en aproximadamente un segundo.
La descarga ascendente transfirió la carga negativa de la nube a la ionosfera, típica de los chorros gigantes.
Los datos mostraron que a medida que la descarga ascendía desde la capa de nubes, se detectaban fuentes de radio VHF a altitudes de 22 a 45 kilómetros (13 a 28 millas), mientras que las emisiones ópticas de los pararrayos permanecían cerca de la capa de nubes a una altitud de 15 a 20 kilómetros (9 a 12 millas).
Los datos ópticos y de radio 3D simultáneos muestran que las redes de rayos VHF detectan emisiones de la corona del streamer y no del canal guía, lo que tiene implicaciones de gran alcance para la física de los rayos más allá de las de los chorros gigantes.
Los investigadores especulan que algo podría estar bloqueando el flujo de cargas hacia abajo o hacia otras nubes.
Los registros del evento de Oklahoma muestran poca actividad de rayos de la tormenta antes de que desatara el jet gigante que batió récords.
“Por alguna razón, generalmente hay supresión de descargas de nubes a tierra”, dijo Boggs.
“Hay una acumulación de carga negativa y luego pensamos que las condiciones en el pico de la tormenta están debilitando la capa superior de carga, que normalmente es positiva.
En ausencia de las descargas de rayos que normalmente vemos, el chorro gigantesco puede aliviar la acumulación de exceso de carga negativa en la nube”.
Por el momento, hay muchas preguntas sin respuesta sobre chorros gigantes que son parte de una clase de misteriosos eventos de luz transitoria.
Eso se debe a que las observaciones de ellos son raras y aleatorias, por parte de pilotos o pasajeros de aviones que los ven, o por observadores en tierra que operan cámaras nocturnas.
Las estimaciones de la frecuencia de los chorros gigantes oscilan entre 1.000 y 50.000 al año.
Se han informado con mayor frecuencia en las regiones tropicales del mundo. Sin embargo, el gigantesco chorro de Oklahoma, que era el doble de poderoso que el siguiente en potencia, no formaba parte de un sistema de tormentas tropicales.
Más allá de su novedad, los jets gigantes podrían tener implicaciones para las operaciones de los satélites en órbita terrestre baja, dijo Boggs.
A medida que se lanzan más de estas naves espaciales, la degradación de la señal y los problemas de rendimiento podrían volverse más significativos.
Los chorros gigantes también podrían afectar tecnologías como los radares sobre el horizonte, que rebotan ondas de radio en la ionosfera.
Boggs está asociado con el Centro de Investigación de Tormentas Severas, establecido en GTRI para desarrollar tecnología mejorada para advertir sobre tormentas severas, como tornados, que son comunes en Georgia.
El trabajo sobre jets gigantes y otros fenómenos atmosféricos es parte de este esfuerzo.
Levi D. Boggs et al., Propagación ascendente de chorros gigantes revelada por mapeo óptico y de radio 3D, Science Advances (2022).
DOI: 10.1126/sciadv.abl8731
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