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Rayos en la atmósfera superior

Representación de fenómenos de rayos y descargas eléctricas en la atmósfera superior. Imagen del descubrimiento de un TLE en Júpiter por la sonda Juno de la NASA . [ 1 ] Los rel...

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Representación de fenómenos de rayos y descargas eléctricas en la atmósfera superior.
Imagen del descubrimiento de un TLE en Júpiter por la sonda Juno de la NASA . [ 1 ]

Los relámpagos en la atmósfera superior y en la ionosfera son fenómenos de descarga eléctrica de corta duración que ocurren muy por encima de las altitudes habituales de los relámpagos y las nubes de tormenta. Se cree que los relámpagos en la atmósfera superior son formas de plasma luminoso inducidas eléctricamente . El término científico preferido es evento luminoso transitorio ( ELT ), ya que los diversos tipos de fenómenos de descarga eléctrica en la atmósfera superior carecen de varias características de los relámpagos troposféricos más conocidos .

También se han observado eventos luminosos transitorios en imágenes ultravioleta lejanas de la atmósfera superior de Júpiter , muy por encima de la altitud de las nubes de agua que producen relámpagos. [ 1 ] [ 2 ]

Características

Hay varios tipos de TLE, siendo los sprites los más conocidos . Los sprites son destellos de luz roja brillante que ocurren sobre los sistemas de tormentas . Los C-sprites (abreviatura de "columniform sprites") es el nombre que se da a las columnas verticales de luz roja. Los C-sprites que exhiben tentáculos a veces se llaman "zanahoria sprites". Otros tipos de TLE incluyen halos de sprites, fantasmas, chorros azules, chorros gigantes, pixies, gnomos, trolls, iniciadores azules, sprelves y ELVES. El acrónimo ELVES (" emisión de luz y perturbaciones de muy baja frecuencia debidas a fuentes de pulsos electromagnéticos ") se refiere a un evento singular que comúnmente se piensa como plural. Los TLE son fenómenos secundarios que ocurren en la atmósfera superior en asociación con los relámpagos de tormenta subyacentes . [ 3 ] Los TLE pueden durar desde un milisegundo o menos hasta 2 segundos o más. 

Los TLE han sido detectados por diversos sistemas de grabación óptica , estimándose que el número total de eventos registrados recientemente (principios de 2009) asciende a decenas de miles. La tasa global de ocurrencia de TLE se ha estimado a partir de observaciones satelitales ( FORMSAT-2 ) en varios millones de eventos por año.

Historia

En la década de 1920, el físico escocés CTR Wilson predijo que las descargas eléctricas ocurrirían en la atmósfera a gran altura sobre las grandes tormentas eléctricas. [ 4 ] [ 5 ] En las décadas siguientes, los pilotos de aeronaves informaron de descargas eléctricas a gran altitud, pero los meteorólogos las descartaron . [ 6 ]

La primera grabación de vídeo de un TLE fue capturada el 6 de julio de 1989 por un equipo de investigadores de la Universidad de Minnesota que realizaban observaciones del cielo nocturno como parte del programa SKYFLASH desde un sitio ubicado a unos 60 km al noreste de Minneapolis - St. Paul . El equipo estaba probando una cámara de televisión de bajo nivel de luz, grabando a 60 fotogramas por segundo , y mientras la apuntaba al norte capturó dos fotogramas de un par de destellos que se disparaban hacia arriba desde las cimas de las nubes, que luego se determinó que se originaron en una tormenta a unos 250 km al norte del sitio de observación. [ 7 ] [ 8 ] Las siguientes grabaciones conocidas de un TLE fueron tomadas el 21 de octubre de 1989, durante las órbitas 44 y 45 de la misión STS-34 del transbordador espacial , que estaba llevando a cabo el Experimento de Observación de Rayos a Mesoescala.    

Varios años después, los investigadores denominaron «sprites» a las firmas ópticas de estos eventos para evitar implicar inadvertidamente propiedades físicas que, en aquel momento, aún se desconocían. [ 9 ] Los términos «sprites rojos» y «chorros azules» ganaron popularidad después de que circulara un videoclip tras una campaña de investigación aeronáutica de 1994 para estudiar el fenómeno. [ 10 ]

Sprites

Los duendes sobre Roma vistos desde Antibes

Los sprites son descargas eléctricas a gran escala que ocurren muy por encima de una nube de tormenta , o cumulonimbo , dando lugar a una gama bastante variada de formas visuales. Se desencadenan por las descargas de rayos positivos entre la nube de tormenta y el suelo. [ 11 ] El fenómeno recibió su nombre del duende travieso, por ejemplo, Ariel o Puck de Shakespeare , [ 12 ] y también es un acrónimo inverso para perturbaciones estratosféricas/mesosféricas resultantes de la electrificación intensa de tormentas eléctricas. [ 13 ] Normalmente son de color naranja rojizo o azul verdoso, con zarcillos colgantes en la parte inferior y ramas arqueadas en la parte superior. También pueden estar precedidos por un halo rojizo, conocido como halo de sprite. A menudo ocurren en grupos, alcanzando de 50 a 90 kilómetros (31 a 56 millas) sobre la superficie de la Tierra . Se han observado sprites miles de veces. [ 14 ] Se ha responsabilizado a los Sprites de accidentes inexplicables que involucran operaciones vehiculares a gran altitud sobre tormentas eléctricas. [ 15 ] 

Chorros

Aunque los chorros se consideran un tipo de relámpago de la atmósfera superior, se ha descubierto que son componentes del relámpago troposférico y un tipo de descarga nube-aire que se inicia dentro de una tormenta eléctrica y se propaga hacia arriba. En contraste, otros tipos de TLE no están conectados eléctricamente con el relámpago troposférico, a pesar de ser desencadenados por él. Los dos tipos principales de chorros son los chorros azules y los chorros gigantes . Los iniciadores azules se consideran una forma más débil de chorros azules. [ 16 ]

aviones azules

Imágenes en tiempo real de un avión azul sobrevolando la India, captadas por el astronauta de la ESA Andreas Mogensen a bordo de la ISS.

Los chorros azules emanan hacia arriba desde las cimas de las nubes a velocidades de aproximadamente 100–140 km/s (60–90 mi/s) y tienen una forma cónica que se extiende hasta alrededor de 50 km (30 mi) de altitud, durando de 200 a 300 milisegundos. [ 17 ] También son más brillantes que los sprites y, como lo indica su nombre, son de color azul. Se cree que el color se debe a un conjunto de líneas de emisión azules y casi ultravioletas del nitrógeno molecular neutro e ionizado . Se cree que los chorros azules se inician como descargas de rayos "normales" entre la región de carga positiva superior en una nube de tormenta y una "capa de apantallamiento" negativa presente sobre esta región de carga. El extremo positivo de la red de líderes llena la región de carga negativa antes de que el extremo negativo llene la región de carga positiva, y el líder positivo posteriormente sale de la nube y se propaga hacia arriba. [ 18 ] Los chorros azules se generan principalmente por tormentas eléctricas con altas tasas de rayos negativos nube-tierra. [ 17 ] Anteriormente se creía que los chorros azules no estaban directamente relacionados con los relámpagos, y que la presencia de granizo de alguna manera provocaba su aparición. [ 18 ] Se registraron por primera vez el 21 de octubre de 1989, en un video monocromo de una tormenta eléctrica en el horizonte tomado desde el transbordador espacial mientras pasaba sobre Australia . [ 19 ] Los chorros azules ocurren con mucha menos frecuencia que los sprites. Para 2007, se habían obtenido menos de cien imágenes. La mayoría de estas imágenes, que incluyen las primeras imágenes en color, están asociadas con una sola tormenta eléctrica. Estas fueron tomadas en una serie de vuelos de aeronaves en 1994 para estudiar los sprites. [ 20 ] Más recientemente, el origen y la formación de los chorros azules se han observado desde la Estación Espacial Internacional . [ 3 ]     

Iniciadores azules

Los "arrancadores azules" fueron descubiertos en un video de un vuelo de investigación nocturno alrededor de tormentas eléctricas [ 21 ] y parecen ser "un fenómeno luminoso ascendente estrechamente relacionado con los chorros azules" [ 19 ] . Parecen ser más cortos y brillantes que los chorros azules, alcanzando altitudes de solo hasta 20 km (12 millas) [ 22 ] . "Los arrancadores azules parecen ser chorros azules que nunca llegan a completarse", según el Dr. Victor P. Pasko, profesor asociado de ingeniería eléctrica [ 23 ] .  

aviones gigantes

Un gigantesco avión fotografiado desde la Estación Espacial Internacional el 3 de julio de 2025.

Mientras que se cree que los chorros azules se inician entre la región de carga positiva superior y una capa de protección negativa directamente encima de esta región, los chorros gigantes parecen iniciarse como un destello intracloud entre las regiones de carga negativa media y positiva superior en la nube de tormenta. El líder cargado negativamente escapa entonces hacia arriba desde la nube hacia la ionosfera antes de poder descargarse dentro de la nube. Los chorros gigantes alcanzan altitudes más altas que los chorros azules, terminando a 90 km (56 mi) . [ 24 ] [ 25 ] Si bien pueden parecer visualmente similares a los sprites tipo zanahoria, los chorros gigantes se diferencian en que no están asociados con rayos nube-tierra y se propagan hacia arriba desde la nube a una velocidad más lenta. [ 26 ]  

Observaciones

Un gigantesco avión a reacción fotografiado desde el Observatorio Gemini en Mauna Kea el 24 de julio de 2017.

El 14 de septiembre de 2001, científicos del Observatorio de Arecibo fotografiaron un chorro gigantesco —el doble de alto que los observados anteriormente— que alcanzó unos 70 km (45 millas) de altura en la atmósfera. [ 27 ] El chorro se encontraba sobre una tormenta eléctrica sobre el océano y duró menos de un segundo. Inicialmente se observó que el chorro viajaba hacia arriba a unos 50 km/s (110.000 mph; 180.000 km/h) , una velocidad similar a la de un rayo típico, que luego aumentó a 160 y 270 km/s (360.000–600.000 mph; 580.000–970.000 km/h) , pero después se dividió en dos y aceleró hacia arriba a velocidades de al menos 2.000 km/s (4.500.000 mph; 7.200.000 km/h) hasta la ionosfera , donde se extendió en un brillante estallido de luz.           

El 22 de julio de 2002, se observaron cinco chorros gigantes de entre 60 y 70 kilómetros (35 y 45 millas) de longitud sobre el Mar de China Meridional desde Taiwán , según informó Nature . [ 28 ] [ 29 ] Los chorros duraron menos de un segundo, y los investigadores compararon sus formas con las de árboles y zanahorias gigantes. 

En la noche del 22 al 23 de febrero de 2006, el Observatorio Espacial del Sur de Brasil, ubicado cerca de Rio Grande do Sul , Brasil , registró más de 400 descargas ópticas de la atmósfera media, consistentes en chorros, sprites y elfos. El observatorio operaba como parte de la Campaña de Sprites del Sur de Brasil, el primer estudio detallado de eventos luminosos transitorios (ELT) sobre el sur de Brasil. La tormenta era demasiado grande para que las cámaras capturaran toda su actividad, pero se registraron más de 400 ELT confirmados, lo que la convierte en la tercera tormenta con mayor actividad de ELT jamás documentada. [ 30 ] Esta región del centro y sur de Sudamérica tiene una actividad de rayos significativamente superior al promedio y es conocida por producir algunas de las tormentas eléctricas más activas del mundo. [ 31 ]

El 10 de noviembre de 2012, el Boletín Científico Chino informó sobre un gigantesco evento de chorro observado sobre una tormenta eléctrica en China continental el 12 de agosto de 2010. "Evento de chorro gigante que se registró claramente en el este de China (centro de la tormenta ubicado en 35,6°N, 119,8°E, cerca del mar Amarillo )". [ 32 ]

El 13 de agosto de 2016, la fotógrafa Phebe Pan capturó una fotografía nítida de gran angular de un gigantesco chorro con una lente gran angular mientras fotografiaba meteoros de las Perseidas en la cima del pico Shi Keng Kong en la provincia de Guangdong [ 33 ] y Li Hualong capturó el mismo chorro desde una ubicación más distante en Jiahe, Hunan, China. [ 34 ]

El 28 de marzo de 2017, el fotógrafo Jeff Miles capturó cuatro aviones gigantes sobre Australia . [ 35 ]

El 24 de julio de 2017, la cámara Gemini Cloudcam del Observatorio Mauna Kea en Hawái capturó varios chorros gigantescos, así como ondas de gravedad a la altura de la ionosfera , durante una tormenta eléctrica. [ 36 ]

El 16 de octubre de 2019, el piloto Chris Holmes capturó un video de alta resolución de un chorro gigantesco desde 11 km (35 000 pies) sobre el Golfo de México cerca de la Península de Yucatán . [ 37 ] Desde 56 km (35 millas) , el video de Holmes muestra una estela azul que se extiende desde la cima de una tormenta eléctrica hasta la ionosfera, volviéndose roja en la parte superior. Solo entonces un brillante líder de relámpago blanco se arrastra lentamente desde la parte superior de la nube, alcanzando aproximadamente el 10 % de la altura del chorro gigantesco antes de desvanecerse.    

El 20 de septiembre de 2021, a las 22:41 (02:41 UTC) mirando hacia el noreste desde Cabo Rojo, Puerto Rico , el fotógrafo Frankie Lucena grabó un video de un gigantesco evento de plasma en chorro que ocurrió sobre una tormenta eléctrica en la zona. [ 38 ]

El 15 de febrero de 2024, el fotógrafo JJ Rao capturó un gigantesco avión en un video de alta resolución a cámara lenta desde Derby , en la región de Kimberley de Australia Occidental. [ 39 ]

El 3 de julio de 2025, la astronauta Nichole Ayers, a bordo de la Estación Espacial Internacional, fotografió un gigantesco avión cerca de la frontera entre Texas y México (foto arriba). [ 40 ]

Otros tipos

Elfos

Fotografía de un ELVES, tomada desde Possagno, TV, Italia, el 27 de marzo de 2023, a las 21:43 UTC. El rayo que lo desencadenó fue en Polverigi, AN, Italia, a una distancia de 285 km (177 mi) . Su fuerza, estimada en 410 kiloamperios, que es un orden de magnitud más fuerte que un rayo normal (10 a 30 kiloamperios), generó un pulso electromagnético intenso. El anillo rojo marca donde el pulso golpeó la ionosfera terrestre. La duración fue de aproximadamente 1 milisegundo. El "donut" tiene un diámetro de aproximadamente 360 ​​km (220 mi) medido desde la foto y una altura sobre el suelo de aproximadamente 90–100 km (56–62 mi) . La distancia para este tipo de foto debe estar entre 100 y 600 km (62 y 373 mi) .        

Los ELVES suelen aparecer como un resplandor tenue, aplanado y en expansión de unos 400 km (250 mi) de diámetro. Normalmente duran un milisegundo . [ 41 ] Ocurren en la ionosfera a 100 km (62 mi) sobre el suelo durante tormentas eléctricas . Su color fue desconocido durante algún tiempo, pero ahora se sabe que es rojo. Los ELVES se registraron por primera vez en una misión del transbordador, frente a la Guayana Francesa el 7 de octubre de 1990. [ 19 ] Los ELVES fueron descubiertos en un video tomado en el transbordador por el equipo del Experimento de Rayos de Mesoescala (MLE) en el Centro de Vuelos Espaciales Marshall , dirigido por el Investigador Principal, Otha H. "Skeet" Vaughan Jr.    

ELVES es un acrónimo peculiar de "emisiones de luz y perturbaciones de muy baja frecuencia debidas a fuentes de pulsos electromagnéticos". [ 42 ] [ 43 ] Esto se refiere al proceso por el cual se genera la luz; la excitación de moléculas de nitrógeno debido a colisiones de electrones (los electrones posiblemente energizados por el pulso electromagnético causado por una descarga de una tormenta eléctrica subyacente). [ 44 ] [ 45 ]

trolls

Los TROLL (lineamientos luminosos ópticos rojos transitorios) aparecen después de sprites intensos y se manifiestan como manchas rojas con tenues colas. En cámaras de alta velocidad, se observan como una rápida sucesión de eventos, comenzando con un resplandor rojo que se forma tras un filamento de sprite y que posteriormente produce una estela roja descendente. Son similares a los chorros. [ 46 ] [ 47 ]

Duendes

Los "pixies" se observaron por primera vez durante el programa STEPS en el verano de 2000, un programa de campo multiorganizacional que investigaba las características eléctricas de las tormentas eléctricas en las Grandes Llanuras . Se observó una serie de eventos luminosos blancos e inusuales en la cima de la tormenta eléctrica durante un período de 20 minutos, con una duración promedio de 16 milisegundos cada uno. Posteriormente se les denominó "pixies". Estos "pixies" tienen menos de 100 metros de diámetro y no están relacionados con los rayos. [ 46 ]

fantasmas

Los fantasmas (emisión óptica verdosa de las cimas de los sprites) son débiles resplandores verdes que aparecen dentro de la huella de un sprite rojo, persistiendo después de que el rojo se haya disipado y reapareciendo con el inicio de eventos de sprites subsiguientes. [ 48 ] [ 49 ] Aunque se pueden ver posibles ejemplos de fantasmas en imágenes históricas, los cazadores de tormentas Hank Schyma y Paul M Smith los observaron por primera vez como un fenómeno exclusivo en 2019. [ 50 ]

El primer estudio espectroscópico para analizar la dinámica y la química de los fantasmas fue liderado por el grupo de Electricidad Atmosférica del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA) . Esta campaña experimental informó que los principales contribuyentes al tono verdoso de un único evento registrado en 2019 fueron el hierro y el níquel atómicos, el nitrógeno molecular y el oxígeno molecular iónico. También se detectó una contribución débil, pero segura, de oxígeno atómico, sodio atómico y silicio iónico. [ 51 ]

Gnomos

Un gnomo es un tipo de relámpago que consiste en un pequeño y breve destello de luz que apunta hacia arriba desde la parte superior del yunque de una nube de tormenta, causado por fuertes corrientes ascendentes que empujan el aire húmedo por encima del yunque. Dura solo unos pocos microsegundos. [ 46 ] Tiene aproximadamente 200 metros de ancho y una altura máxima de 1 kilómetro. Se desconoce su color, ya que solo se ha observado en grabaciones en blanco y negro. La mayoría de las fuentes se refieren a ellos extraoficialmente como "gnomos". [ 52 ]

Véase también

Referencias

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  • Página principal de la campaña Eurosprite, que forma parte del grupo de investigación CAL (Capas Atmosféricas Acopladas).
  • 2 de marzo de 1999, Universidad de Houston: Físicos de la UH investigan misterios similares a los relámpagos. Cita: "...Los duendes rojos y los chorros azules son destellos breves pero potentes, similares a los relámpagos, que aparecen a altitudes de 40 a 100 km (25 a 62 millas) sobre las tormentas eléctricas..."   
    • Observaciones terrestres y desde globos aerostáticos de sprites y chorros de agua.
  • Barrington-Leigh, CP, " ELVES  : Calentamiento ionosférico por pulsos electromagnéticos de rayos (una introducción) ". Laboratorio de Ciencias Espaciales, Berkeley.
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  • Imágenes y artículos sobre Sprites, jets y TLE.
  • Vídeo de alta velocidad (10.000 fotogramas/s) grabado por Hans Stenbaek-Nielsen, de la Universidad de Alaska.
  • Un vídeo revela los secretos del rayo 'Sprite' , artículo de Livescience, 2007.
    • Pruebas en vídeo
  • Imagen astronómica del día de la NASA: Aviones gigantes sobre Oklahoma (29 de agosto de 2007) Imágenes y video de dos aviones gigantes separados sobre Oklahoma
  • Gigantescos chorros de aire entre una nube de tormenta y la ionosfera.
  • Enormes destellos misteriosos observados en la atmósfera exterior
  • Galería de sprites
  • http://webarchive.loc.gov/all/20020914103454/http://elf.gi.alaska.edu/
  • The Endless, cortometraje inspirado en Sprite.
  • Destellos en las nubes | ZT Research
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