Nueva información sobre ráfagas de rayos de ‘jet gigantesco’ que alcanzan el espacio

Un estudio detallado en 3D de una descarga eléctrica masiva que se elevó 50 millas en el espacio por encima de una tormenta eléctrica de Oklahoma ha proporcionado nueva información sobre un fenómeno atmosférico esquivo conocido como chorros gigantes. La descarga de Oklahoma fue el jet gigantesco más poderoso estudiado hasta ahora, transportando 100 veces más carga eléctrica que un relámpago típico de tormenta eléctrica.

El chorro gigante movió aproximadamente 300 culombios de carga eléctrica hacia la ionosfera, el borde inferior del espacio, desde la tormenta. Los relámpagos típicos transportan menos de cinco culombios entre la nube y el suelo o dentro de las nubes. La descarga ascendente incluía serpentinas de plasma relativamente frías (aproximadamente 400 grados Fahrenheit), así como estructuras llamadas líderes que son muy calientes, más de 8,000 grados Fahrenheit.

«Pudimos mapear este chorro gigantesco 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 de muy alta frecuencia (VHF) por encima de la parte superior de la nube, que no se habían visto antes con este nivel de detalle. Utilizando datos de satélite y radar, pudimos saber dónde se encuentra la parte líder muy caliente de la descarga. estaba ubicado sobre la nube».

Boggs trabajó con un equipo de investigación de varias organizaciones, incluida 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. La investigación se informa el 3 de agosto en Avances de la ciencia.

Steve Cummer, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Duke, utiliza las ondas electromagnéticas que emiten los rayos para estudiar el poderoso fenómeno. Él opera un sitio de investigación donde los sensores que se asemejan a las antenas convencionales están colocados en un campo vacío, a la espera de captar las señales de las tormentas que ocurren localmente.

«Las señales VHF y ópticas confirmaron definitivamente lo que los investigadores habían sospechado pero aún no probado: que la radio VHF de los rayos es emitida por pequeñas estructuras llamadas serpentinas que se encuentran en la punta del rayo en desarrollo, mientras que la corriente eléctrica más fuerte fluye significativamente detrás de este. punta en un canal conductor de electricidad llamado líder», dijo Cummer.

Doug Mach, coautor del artículo de la Asociación de Investigación Espacial de las Universidades (USRA), dijo que el estudio fue único al determinar que las ubicaciones 3D para las emisiones ópticas de los rayos estaban muy por encima de las nubes.

Fuentes de mapeo de radio que se extienden desde la estructura convectiva de la tormenta. El plano gris representa la cima de la tormenta. Crédito: Avances de la ciencia (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abl8731

«El hecho de que el chorro gigante fuera detectado por varios 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 un jet gigantesco ha sido mapeado tridimensionalmente sobre las nubes con el conjunto de instrumentos Geostationary Lightning Mapper (GLM)».

Se han observado y estudiado chorros gigantes durante las últimas dos décadas, pero debido a que no existe un sistema de observación específico para buscarlos, las detecciones han sido raras. Boggs se enteró del evento de Oklahoma por un colega, quien le contó sobre un avión gigante que había sido fotografiado por un ciudadano científico que tenía una cámara con poca luz en funcionamiento el 14 de mayo de 2018.

Afortunadamente, el evento tuvo lugar en un lugar con un sistema de mapeo de rayos VHF cercano, dentro del alcance de dos ubicaciones de radar meteorológico de próxima generación (NEXRAD) y accesible a los instrumentos en los satélites de la red de satélites ambientales operativos geoestacionarios (GOES) de la NOAA. Boggs determinó que los datos de esos sistemas estaban disponibles y trabajó con colegas para reunirlos para su análisis.

«Los datos detallados mostraron que esas serpentinas frías comienzan su propagación justo encima de la parte superior de la nube», explicó Boggs. «Se propagan hasta la ionosfera inferior a una altitud de 50 a 60 millas, haciendo una conexión eléctrica directa entre la parte superior de la nube y la ionosfera inferior, que es el borde inferior del espacio».

Esa conexión transfiere miles de amperios de corriente 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 parte superior de la nube, se detectaron fuentes de radio VHF a altitudes de 22 a 45 kilómetros (13 a 28 millas), mientras que las emisiones ópticas de los relámpagos permanecieron cerca de la parte superior de la nube a una altitud de 15 a 28 millas. 20 kilómetros (9 a 12 millas). Los datos ópticos y de radio 3D simultáneos indican que las redes de rayos VHF detectan emisiones de la corona del streamer en lugar del canal líder, lo que tiene amplias implicaciones para la física de los rayos más allá de los chorros gigantes.

¿Por qué los chorros gigantes lanzan carga al espacio? Los investigadores especulan que algo puede estar bloqueando el flujo de carga hacia abajo o hacia otras nubes. Los registros del evento de Oklahoma muestran poca actividad de rayos de la tormenta antes de que disparara el gigantesco avión récord.

«Por alguna razón, generalmente hay una supresión de las descargas de las nubes al suelo», dijo Boggs. «Hay una acumulación de carga negativa, y luego pensamos que las condiciones en la parte superior de la tormenta debilitan la capa superior de carga, que suele ser 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 ahora, hay muchas preguntas sin respuesta sobre los chorros gigantes, que son parte de una clase de misteriosos eventos luminosos transitorios. Esto se debe a que las observaciones de ellos son raras y ocurren por casualidad, de pilotos o pasajeros de aviones que los ven u observadores en tierra que operan cámaras de exploración nocturna.

Las estimaciones de la frecuencia de chorros gigantes van desde 1.000 hasta 50.000 por año. Se han informado con más frecuencia en las regiones tropicales del mundo. Sin embargo, el chorro gigante de Oklahoma, que era el doble de poderoso que el siguiente más fuerte, no era parte de un sistema de tormentas tropicales.

Más allá de su novedad, los chorros gigantes podrían tener un impacto en el funcionamiento de los satélites en órbita terrestre baja, dijo Boggs. A medida que se lanzan más de esos vehículos 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 afiliado al Centro de Investigación de Tormentas Severas, que se estableció en GTRI para desarrollar tecnologías mejoradas para advertir sobre tormentas severas, como tornados, que son comunes en Georgia. El trabajo sobre chorros gigantes y otros fenómenos atmosféricos es parte de ese esfuerzo.