revista de divulgación del Instituto de Astrofísica de Andalucía
¿Electricidad atmosférica y clima?
Sabemos que la química de la atmósfera terrestre es compleja y que ha ido cambiando a lo largo de la historia de nuestro planeta. Sabemos también que la actividad eléctrica en nuestra atmósfera parece haber surgido en paralelo a la presencia de océanos hace unos 3600 millones de años (unos mil millones de años después de la formación del planeta). Estudios publicados en marzo de 2021 indican que la actividad eléctrica atmosférica y, en particular, la actividad eléctrica “caliente”, como la de los rayos, podría haber sido una fuente crucial de fósforo prebiótico en forma de fosfuros minerales altamente reactivos que, al hidratarse, dan lugar a moléculas orgánicas como el fosfato de glicerol, fosfocolina y nucleósido, importantes para el surgimiento de las moléculas de la vida (ADN, ARN).
Aparte de sus posibles implicaciones para favorecer la química de la vida en la Tierra, la actividad eléctrica en la atmósfera juega un papel relevante en su composición química. Así, sabemos que los rayos aportan más del 10 % del óxido nítrico (NO) de la alta troposfera, que a su vez contribuye a la formación de ozono (O3) en la alta troposfera y baja estratosfera. El ozono, además de ser un gas de efecto invernadero, elimina buena parte de la radiación ultravioleta que llega del Sol haciendo posible la vida en la superficie del planeta. Un hecho importante es que, por tratarse de una fuente en altura (entre unos cuatro y doce kilómetros), los rayos son tres veces más eficientes produciendo ozono a través del óxido nítrico que otras fuentes superficiales, como los suelos y la quema de biomasa, que por separado producen cantidades de óxido nítrico similares a las de los rayos. Así, por cada molécula de óxido nítrico producida por los rayos, se producen cien de ozono, mientras que por cada molécula de óxido nítrico generada por suelos o quema de biomasa solo se producen entre diez y treinta de ozono. Vemos pues que la altura amplifica notablemente el efecto químico de los rayos ya que, entre otras razones, a la altura de los rayos el tiempo de vida del óxido nítrico es sensiblemente mayor que cerca de la superficie (días frente a horas).
Conocer la frecuencia, tipo, intensidad y distribución geográfica de los rayos es muy importante para determinar con precisión su acoplamiento con la dinámica y composición química atmosférica. Sabemos que los rayos son más frecuentes sobre la tierra que sobre el mar, pero más intensos sobre el mar que sobre la tierra. Sin embargo, no ha sido hasta el año 2003 cuando se ha podido determinar con precisión su frecuencia global, que ha resultado ser de alrededor de cuarenta y cuatro rayos por segundo. ¿Cómo sería el clima de la Tierra sin la presencia de rayos?
Hoy en día la electricidad atmosférica de rayos investiga aspectos como su iniciación en el interior de las nubes de tormenta, su propagación y conexión con estallidos de rayos gamma terrestres y con los fenómenos eléctricos en la mesosfera (sprites, halos, elves) y alta troposfera (blue jets), así como la posible alteración de su patrón espaciotemporal debido al rápido calentamiento del planeta.
Todavía persisten muchos enigmas en relación con los fenómenos eléctricos en la atmósfera terrestre. Así, la rica actividad eléctrica atmosférica no se reduce a la presencia de rayos y su química “caliente” (decenas de miles de grados) en la atmósfera. Desde principios de los años 1970 se viene especulando con la presencia en la atmósfera de fenómenos eléctricos “fríos” (a temperatura ambiente) vinculados con la posible existencia de descargas eléctricas de tipo corona en las nubes de tormenta. ¿Qué son estas coronas eléctricas? ¿Existen de verdad? ¿Cómo y cuántas son, con qué frecuencia se producen y cuál es su distribución geográfica en la atmósfera terrestre? ¿Podrían ser una nueva fuente natural aún no explorada de gases de efecto invernadero en el seno de la atmósfera?
En 1980 se detectaron misteriosas señales pulsadas muy intensas de radiofrecuencia (RF) que parecían proceder de descargas eléctricas en el interior de las nubes de tormenta. Estos fuertes pulsos de radio se caracterizaban por tres rasgos: por su muy corta duración, de apenas veinte microsegundos; por el aspecto bipolar (muy rápida subida y bajada de dos pulsos de radio de polaridad positiva y negativa o viceversa) de la forma de onda en el rango de bajas (LF) y muy bajas frecuencias (VLF); y por venir habitualmente seguidos de potentísimos estallidos de radiación en el rango de alta (HF) y muy alta frecuencia (VHF). Hoy en día estas señales de radio reciben el nombre de eventos bipolares estrechos o narrow bipolar events (NBE) en inglés que, por lo general, son diez veces más intensos que las emisiones de radio en el rango de alta frecuencia procedentes de rayos intranube o entre nubes.
Observaciones de 2016 y 2017 indicaban que estos potentes pulsos bipolares de radio podrían resultar de procesos muy rápidos de ionización del aire típicos de descargas eléctricas frías, esto es, aquellas que no calientan el aire circundante (al contrario que los rayos), pero en las que la temperatura de los electrones ambientales alcanza valores muy elevados de hasta ochenta mil grados (unos siete electronvoltios). El hecho de que los electrones tengan una masa muy pequeña (dos mil veces más ligeros que el átomo más liviano) impide que, aun siendo muy energéticos, puedan calentar el aire circundante (solo posible entre colisiones de especies químicas pesadas).
En julio de 2020 el grupo de electricidad atmosférica del Instituto de Astrofísica de Andalucía -miembro del equipo científico de la misión Atmosphere Space Interaction Monitor (ASIM, ESA) lanzada en 2018- publicó por primera vez medidas simultáneas de señales de radio (con detectores en el suelo en el rango VLF / LF) y de señales ópticas en el rango ultravioleta (337.0 nm) captadas por ASIM que no venían acompañadas de emisiones infrarrojas (777.4 nm) típicas de rayos. Esto venía a confirmar la presencia de descargas de tipo corona en las nubes de tormenta cuyas análogas a escala se vienen estudiando en el laboratorio de electricidad atmosférica del IAA y que se caracterizan por su color azulado (entre el ultravioleta cercano y el azul), su patrón de ondas de radio, su aspecto filamentoso (dardos de plasma de aire altamente ionizado), y por su enorme capacidad para generar desequilibrio térmico, esto es, para producir una gran diferencia (varias decenas de miles de grados) entre la temperatura del aire y la de los electrones dentro del dardo de plasma de la corona. Por el contrario, los rayos crean ambientes térmicos en el sentido de que la temperatura del aire y la de los electrones son ambas muy altas (decenas de miles de grados) e iguales.
La alta energía de los electrones de los dardos de plasma de las descargas corona les confiere propiedades químicas únicas, esto es, pueden activar muy eficientemente reacciones químicas imposibles de producir en entornos térmicos (rayos) en los que la actividad química está controlada por el choque entre partículas pesadas (átomos y moléculas). Por contra, la química de no equilibrio de las descargas corona abre nuevos caminos químicos (activados por energéticos electrones) que originan especies altamente reactivas que no podrían formarse de otra manera en la atmósfera.
Medidas de laboratorio indican que, mientras las descargas eléctricas térmicas (como los rayos) producen principalmente óxidos de nitrógeno (NOx = NO + NO2), las descargas corona apenas producen NOx, pero sí cantidades significativas de óxido nitroso (N2O) y ozono. El óxido nitroso es el tercer gas de efecto invernadero más importante después del dióxido de carbono (CO2) y el metano (CH4). Sin embargo, el óxido nitroso tiene un potencial de calentamiento global (Global Warming Potential en inglés) trescientas veces superior al del CO2. Esta propiedad del N2O hace que la cuantificación precisa de todas sus posibles fuentes y sumideros en la atmósfera sea un asunto crítico de gran relevancia medioambiental, ya que su excesiva presencia en la atmósfera podría dar lugar a un no despreciable aumento del calentamiento global con posibles efectos climáticos.
Quedan muchos interrogantes relativos a las propiedades, procesos de formación, dinámica temporal e influencia química global y quizás climática de las descargas corona en las nubes de tormenta. Por primera vez, gracias a ASIM existe la posibilidad real de poder cuantificar la frecuencia global de las descargas corona en la atmósfera, así como de poder disponer de los primeros mapas globales con su distribución geográfica. Estos trabajos están siendo llevados a cabo en el IAA.
¿Cuáles son las dimensiones típicas de las descargas corona en las nubes? ¿Cuál es su frecuencia de ocurrencia a escala global y su distribución geográfica? ¿Podría su ritmo de producción afectar a la frecuencia e intensidad de los rayos? ¿Podrían tener realmente algún efecto sobre la química atmosférica? ¿De qué tipo? ¿Podrían afectar y verse afectadas por el cambio climático? Son preguntas todas estas que aún no tienen una respuesta en el contexto de las investigaciones que se llevan cabo por la comunidad científica internacional en el campo de la electricidad atmosférica.