¿Los rayos cósmicos causan los relámpagos?

Joseph Dwyer, profesor de física y ciencias espaciales en el Instituto Tecnológico de Florida se ha estado preguntando lo mismo.

Autor de la traducción: Manuel Hermán Capitán

Tu pregunta va al corazón de uno de los mayores misterios de la ciencia: ¿Qué causa los relámpagos? Décadas de medidas del campo eléctrico realizadas en el interior de las tormentas han fallado en encontrar los campos eléctricos suficientemente grandes como para provocar una chispa, incluso cuando se tienen en cuenta los efectos de la precipitación. Dado que sabemos que los relámpagos ocurren, de hecho golpean la Tierra aproximadamente cuatro millones de veces al día, debe faltar algo en nuestra comprensión del fenómeno.

Un mecanismo propuesto por el físico ruso Alex V. Gurevich del Instituto Físico Lebedev y sus colaboradores sugiere que el movimiento de grandes lluvias de partículas energéticas producidas por rayos cósmicos de alta energía,(los cuales se originan en las estrellas que explotan en el otro extremo de la galaxia), podrían proporcionar un camino conductivo que inicie el relámpago. De hecho hay tres tipos de detectores de partículas, conocidos como cámaras de chispas que explotan este principio. En una cámara de chispas, se aplica un voltaje muy grande en un pequeño hueco relleno con gas. El campo eléctrico resultante es lo bastante grande para provocar que se rellene el hueco (o que eche chispas), mientras que existan algunos electrones libres para mantener en funcionamiento el proceso. Piensa en rocas sueltas listas para caer por la ladera de una montaña. Para que se inicie la avalancha, todo lo que se necesita es que se mueva la primera roca. De forma similar, cuando una partículas cargada (la primera roca) supera el hueco, la ionización que deja tras de sí creará una chispa, que más o menos sigue el camino de la partícula. Para este tipo de detectores, la situación de la chispa puede usarse para identificar cuándo y por dónde pasará la partícula cargada.

Por otra parte, el caso de las tormentas y relámpagos es ligeramente distinto. Al contrario que en una cámara de chispas, los campos eléctricos dentro de la tormenta no parecen ser lo bastante grandes para iniciar la chispa, por lo que para que el mecanismo de Gurevich funcione, tuvo que suponer que había muchas, muchas partículas cargadas pasando a través de la tormenta a la vez. Dado que las lluvias de rayos cósmicos en el aire no producen suficientes partículas por sí mismas, Gurevich postuló que la tormenta daba a la lluvia de rayos cósmicos un impulso incrementando el número de electrones energéticos a través de un proceso exótico llamado “runaway breakdown” (interrupción desbocada).

La interrupción desbocada tiene lugar cuando la fuerza de arrastre que experimentan los electrones cuando se mueven a través del aire es menor que la fuerza eléctrica que actúa sobre ellos. En tales casos, los electrones “se desbocarán”, ganando grandes cantidades de energía. Cuando los electrones desbocados colisionan con moléculas de aire, generan otros electrones desbocados además de rayos gamma y rayos-X, dando como resultado una avalancha de partículas de alta energía. En lugar de rocas en una avalancha, piensa en los electrones desbocados como metralla abriéndose camino a través de la tormenta. De acuerdo con el modelo de Gurevich, este camino conductivo es lo que causa el rayo.

La interrupción desbocada puede crear grandes cantidades de electrones de alta energía, así como rayos-X y rayos gamma. Es interesante apuntar que sabemos que la interrupción desbocada funciona para los campos eléctricos bajos que ya hemos visto en las tormentas. También sabemos que a veces tienen lugar justo antes de un relámpago, debido a que podemos ver grandes estallidos de rayos-X y rayos gamma saliendo de las tormentas. De hecho, estos rayos gamma son tan energéticos y tan brillantes que han sido observados desde el espacio exterior a 600 kilómetros sobre la superficie de la Tierra.

Por lo que, ¿todo esto concluye que los rayos cósmicos son la causa de los relámpagos? En la actualidad nadie puede estar seguro.

Algunos investigadores, incluyéndome a mi mismo, han alegado cierto escepticismo sobre este mecanismo debido a unos problemas técnicos. Por ejemplo, para que un relámpago se propague debe formar un canal conductivo caliente. Este canal actúa como un cable de metal, permitiendo el flujo de enormes corrientes eléctricas. Es difícil de comprender cómo una gran descarga difusa producida por una lluvia en el aire y una interrupción desbocada podría dar como resultado el tal canal caliente de apenas unos pocos centímetros de ancho. Se han propuesto explicaciones alternativas para el inicio de los relámpagos, incluyendo algunas que implican una interrupción convencional del agua y las partículas de hielo, así como otras que implican formas distintas de interrupción desbocada sin rayos cósmicos. Los científicos están trabajando en modelos y experimentos para comprobar la validez de todas estas ideas.

Traducido y editado por el equipo de Astroseti.
Colaboradores:
- Manuel Hermán Capitán
- Xavier Civit

Enlace: http://www.sciam.com/article.cfm?id=experts-do-cosmic-rays-cause-lightning

Fuente: astroseti.