Desde hace siglos, los seres humanos estamos acostumbrados a convivir con los destellos y los sonoros truenos producidos por los rayos. Sin embargo, hasta el siglo XVIII no comenzamos a adentrarnos en la compleja física de estas descargas eléctricas atmosféricas, cuyo conocimiento es fundamental para entender el circuito eléctrico global de la Tierra así como la química de ciertas especies (NOx, que incluye óxido y dióxido de nitrógeno) en la atmósfera terrestre.
Podríamos decir que el estudio científico de los rayos comenzó en torno a la década de 1750, a partir de rudimentarios experimentos diseñados por Benjamin Franklin, quien estableció la naturaleza eléctrica de los rayos a partir de su semejanza con las descargas creadas en laboratorio. Los avances técnicos acumulados desde entonces permiten hoy el uso de modernos satélites que observan y cuantifican estos fenómenos.
Hoy sabemos que existen diferentes tipos de rayos en la Tierra, que se diferencian según a qué altura se producen, la longitud de su canal, la energía que transmiten, la impulsividad e incluso la polaridad, y sabemos que sus efectos en la atmósfera son diferentes. Los rayos mejor conocidos son los poderosos (por su enorme estruendo) rayos nube-suelo, o CG (según sus siglas en inglés Cloud-to-ground), pero estos no son los más comunes, sino los rayos entre-nubes y los nube-nube, o IC y CC (según sus siglas en inglés Intra-Cloud y Cloud-to-Cloud). Dentro de esta categoría podríamos colocar otro subtipo, las cortas pero muy impulsivas descargas compactas entre-nubes, o CID (según sus siglas en inglés Compact-Intracloud-Discharges), poco estudiadas aún y muy complejas, ya que parecen estar muy ligadas a la formación de los otros tipos de rayos y pueden ser incluso la causa de algunas emisiones muy energéticas de rayos gamma terrestres asociados a nubes de tormentas eléctricas muy intensas.
Una de las razones prácticas para profundizar en el estudio de los rayos es su influencia en la composición química de la atmósfera y, por ende, en el clima. Cerca de los trópicos los rayos son más numerosos por la mayor insolación, y en estas regiones se crean cantidades importantes de NOx, elemento clave en la química del ozono y en la relación entre la atmósfera y la biosfera.

En nuestro grupo de investigación desarrollamos nuevos modelos químicos y electrodinámicos de la formación y evolución de los rayos y las enormes descargas eléctricas mesosféricas asociadas a ellos, así como de sus efectos químicos y eléctricos en la troposfera y mesosfera de la Tierra. Además, desarrollamos novedosos instrumentos científicos para analizar las características espectrales y polarimétricas de la luz emitida por las descargas eléctricas naturales y poder comparar con nuestros modelos.
Pero la actividad eléctrica atmosférica no es un fenómeno exclusivamente terrestre: existe también en otros planetas del Sistema Solar, como en los gigantes gaseosos y también de una forma peculiar en Marte. Además, existen indicios de actividad eléctrica en la atmósfera de Venus e incluso podemos especular con la presencia de fenómenos eléctricos en exoplanetas de otros sistemas estelares.
Estudiar esto es fundamental, ya que existen teorías que ligan la actividad eléctrica terrestre con la formación de las moléculas complejas que dieron origen a la vida.
 

Descargas eléctricas en la alta atmósfera de la Tierra

En el año 1989 se descubrieron, por accidente, unas misteriosas emisiones ópticas transitorias muy rápidas producidas en la mesosfera justo encima de una gran tormenta. Estas observaciones iniciaron una nueva línea de investigación estrechamente asociada a los rayos. Ya en el año 1925 el físico escocés C. T. R. Wilson predijo emisiones como estas, pero no fue hasta su descubrimiento y posterior estudio cuando se establecieron sus características y mecanismos de producción. Después de más de dos décadas de observaciones, desarrollo de modelos, validaciones y descartes de teorías, hoy se han establecido algunas de las características, impacto químico y diferentes tipos de estos fenómenos, llamados genéricamente TLEs (del inglés Transient Luminous Events), pero estamos aún relativamente lejos de conocer todas sus causas y consecuencias.
Los TLEs son causados por los grandes campos eléctricos que se forman sobre las nubes de una tormenta eléctrica. Algunos, como los chorros azules o los chorros azules gigantes, son descargas eléctricas que ascienden desde la troposfera a la ionosfera.  Otros, como los sprites, halos y ELVEs, se producen en alturas entre cincuenta y cien kilómetros, donde la baja densidad de la atmósfera permite que los campos eléctricos aceleren fácilmente electrones que ionizan y excitan moléculas del aire. Al desexcitarse, estas moléculas emiten luz durante tiempos cercanos a los milisegundos.

Actualmente solo se conocen algunas de sus implicaciones químicas más directas en la atmósfera terrestre, pero estos fenómenos pueden jugar un papel clave en la dinámica de gases tan importantes para la vida como el ozono. Tampoco está completamente establecida su relación con los diferentes tipos de rayos, ya que existe poca información observacional que ligue los TLEs con los rayos entre nubes. Por ello, en nuestro grupo desarrollamos modelos electrodinámicos y químicos que pretenden profundizar en los mecanismos electrodinámicos fundamentales implicados en la formación y propagación de rayos y TLEs, así como en la química ligada a los rayos en la troposfera y a los halos, sprites y ELVEs en la mesosfera. Estos modelos relacionan las propiedades de los TLEs con algunas características de los rayos que los producen, tales como su inclinación, energía o carga transferida.
Un ejemplo son los halos: descargas difusas que emiten luz en forma de disco, pudiendo abarcar hasta centenares de kilómetros de diámetro. Los halos se producen como consecuencia del campo eléctrico cuasi-estático que acelera a los electrones, los cuales provocan cambios químicos en la mesosfera. En la literatura está bien establecida la producción de halos por rayos nube-suelo, que son los de más fácil detección, pero aún son difíciles de relacionar con otros tipos de rayos, como los entre-nubes, por lo que en nuestro grupo desarrollamos modelos de halos producidos por rayos de diferentes características.
Otro fenómeno ligado al campo eléctrico cuasi-estático es el de los sprites, que son descargas ramificadas en lugar de difusas, donde a cada una de esas ramas se le denomina streamer. Existe una gran variedad de patrones en la propagación de los streamers: por ejemplo, se han tomado observaciones que parecen ligar cierto tipo de sprites llamados de columna con una cantidad pequeña de rayos, y a los de otro tipo, llamados zanahoria, de ramas más enrevesadas, con la sucesión de varios rayos. Además, aún no entendemos completamente la influencia de los halos producidos inmediatamente antes de los sprites.
Por último nos fijaremos en los ELVEs, consecuencia de la aceleración de electrones causada por el breve pulso del campo eléctrico de radiación emitido por un rayo. Estas emisiones suelen tener forma de rosquilla, con espacio vacío en el centro. En nuestro grupo desarrollamos modelos para predecir la forma de estos fenómenos según la inclinación del rayo, así como para investigar su posible origen en los diversos tipos de rayos, tales como las poco exploradas descargas compactas intra-nubes (CID).
 

Rayos en otros planetas del Sistema Solar

Tal como hemos mencionado, la Tierra no es el único planeta del Sistema Solar en el que se producen fuertes descargas eléctricas. Muchos de sus vecinos albergan también estos fenómenos, aunque con características diferentes.
Es bien conocido que en los gigantes gaseosos (Saturno, Júpiter, Urano y Neptuno) se producen poderosas tormentas que abarcan miles de kilómetros. Es por ello que varias sondas, como las Voyagers, Galileo, Cassini y New Horizons buscaron y, de hecho, detectaron emisiones procedentes de descargas eléctricas en estos planetas. Además, en las tormentas de polvo de Marte también se producen descargas eléctricas por la fricción de granos de polvo (triboelectricidad), que pueden jugar un papel relevante en la formación de ciertas especies químicas en la superficie así como en la baja atmósfera marciana. Las medidas y caracterización del campo eléctrico en esas descargas eléctricas marcianas serán objeto de investigación por la misión ExoMars con dos fases de lanzamiento en 2016 y 2018.
Un caso especial y de gran interés en el estudio de actividad eléctrica en otros planetas es nuestro vecino Venus. Entre los principales resultados del programa de orbitadores y vehículos de descenso Venera (1961-1983) de la antigua Unión Soviética destaca la detección persistente de pulsos electromagnéticos e incluso algunos espectros ópticos procedentes de lo que parecen ser rayos en la atmósfera de Venus. Sin embargo, misiones posteriores como la Pioneer Venus Orbiter (PVO) y otras como Cassini o el programa de globos Vega (1984-1986), que sobrevolaron la atmósfera de Venus a cincuenta kilómetros de altura, no han logrado detectar señales ópticas claras (como en Júpiter y Saturno) que demuestren definitivamente la existencia de rayos en Venus. Según los resultados del programa Venera, los rayos en Venus estarían asociados a fuertes tormentas eléctricas localizadas en regiones muy concretas del planeta. Las tormentas en Venus, junto a los fuertes vientos allí reinantes, dan lugar a lluvia de ácido sulfúrico. Allí, la capa de nubes donde se forman cristales de este ácido se sitúa a una altura de entre aproximadamente cuarenta y cinco y sesenta y cinco kilómetros. Si los vientos verticales son suficientemente intensos, es posible la separación de cargas que puede dar lugar a la creación de rayos entre nubes.
En diciembre de 2015, la sonda Akatsuki de la agencia espacial japonesa (JAXA) se insertó con éxito en la órbita de Venus. Entre otros instrumentos, esta sonda va equipada con la cámara LAC (acrónimo del inglés Lightning and Airglow Camera), especialmente diseñada para la detección óptica de rayos en Venus. Las primeras campañas observacionales con la cámara LAC tienen previsto comenzar a partir de abril de 2016. Es importante resaltar que, en caso de existir rayos en Venus, estos estarían producidos probablemente en la ancha capa de nubes venusiana y podrían tener características diferentes a los rayos terrestres, por lo que detectarlos desde el espacio puede ser difícil pero, al mismo tiempo, de extraordinario interés científico. Por otra parte, existen también medidas espectrográficas recientes (del año 2007) tomadas desde telescopios terrestres en las que se han detectado trazas de óxido de nitrógeno (NO) superiores a las esperadas en las capas bajas de la atmósfera venusiana, y puede que se trate de una huella química de rayos.
 

Posibles TLEs asociados a rayos en otros planetas

Sin duda, el modelado y la observación de los TLEs pueden darnos información sobre las características de la atmósfera en las alturas donde estos se producen, por lo que detectarlos en otros planetas puede ayudarnos a entender estos otros mundos.
Según lo que hemos aprendido de la Tierra, es muy frecuente que se generen TLEs cuando existen tormentas, por lo que a priori parece bastante lógico pensar que estos fenómenos existan en la mayoría de los planetas donde se produzcan rayos.
Como hemos señalado, existen numerosas observaciones de descargas eléctricas en los gigantes gaseosos del Sistema Solar. Sin embargo, los datos recogidos hasta el momento no son suficientemente esclarecedores como para determinar si las emisiones que las naves han observado son consecuencia directa de rayos o de TLEs. Los modelos que desarrollamos actualmente pueden aclarar esta cuestión. Distinguir entre emisiones de rayos y TLEs es de suma importancia ya que nos permitiría, a partir de observaciones de descargas eléctricas, inferir algunas propiedades relevantes de las atmósferas de estos planetas.
Como en el apartado anterior, Venus es un caso especial puesto que la existencia de rayos en su atmósfera no está completamente demostrada. En nuestro grupo desarrollamos modelos para estudiar la influencia eléctrica y química en la alta atmósfera de Venus de hipotéticos rayos, así como para predecir algunas de las emisiones que podrían probar de forma concluyente la existencia de descargas eléctricas. Es posible que los rayos venusianos sean difíciles de observar directamente, pero seremos capaces de encontrar TLEs que los delaten si sabemos en qué longitudes de onda emitirían estos fenómenos en una atmósfera como la de Venus.
 

Radiaciones de alta energía sobre tormentas

Además de toda la casuística de los TLEs, los rayos terrestres producen otro tipo completamente diferente de fenómeno, los energéticos rayos gamma y rayos X terrestres, o TGF (del inglés Terrestrial Gamma-ray Flashes), emisiones detectadas también en los últimos años del siglo pasado y cuyo estudio es fundamental, entre otras cosas, para cuantificar la radiación recibida por la tripulación de vuelos comerciales que pasan un tiempo considerable de su vida volando por encima de las tormentas.
Los mecanismos de producción de esta radiación de alta energía no son aún conocidos por completo, pero está establecido que provienen de electrones que han sido acelerados hasta energías relativistas. Los fotones que conforman un TGF se emiten cuando estos electrones colisionan con núcleos atómicos, en un proceso llamado bremsstrahlung (del alemán "radiación de frenado").
Existen diversas teorías sobre cómo llegan los electrones a acelerarse a velocidades tan elevadas. Una hipótesis sugiere que se aceleran en las inmediaciones del canal de los rayos, donde los campos eléctricos locales son elevadísimos, mientras que otros modelos sitúan su origen en los campos eléctricos de gran escala existentes en el interior de las nubes de tormenta. Lo que está claro es que estos fotones tan energéticos son capaces de provocar reacciones fotonucleares en la atmósfera que puedan dar lugar a diferentes cadenas de otras reacciones químicas.

Futuras misiones espaciales para el estudio de la electricidad atmosférica

Existen varios proyectos internacionales en marcha para la investigación de la actividad eléctrica atmosférica terrestre desde el espacio, ya que esta puede tener gran influencia en el clima planetario o, a escala más local, en la meteorología. Además, las emisiones ópticas producidas por las descargas eléctricas naturales proporcionan información importante sobre las capas de la atmósfera menos exploradas, como la mesosfera.
Nuestro grupo forma parte del equipo científico de tres misiones europeas: ASIM (Atmosphere-Space Interactions Monitor), TARANIS (Tool for the Analysis of RAdiations from lightNIngs and Sprites) y COBRAT (Coupled Observations from Balloon Related to Asim and Taranis). La misión ASIM, cuyo lanzamiento se prevé para 2017, está siendo desarrollada por la Agencia Espacial Europea (ESA) y consistirá en el emplazamiento de instrumentación científica en el módulo europeo Columbus de la Estación Espacial Internacional con el fin de observar los TLEs y TGF en nuestro planeta.  Para ello, el instrumento cuenta con distintos módulos compuestos por cámaras y sensores que orbitarán la Tierra escrutando las capas atmosféricas superiores a las tormentas y registrando fenómenos transitorios relacionados con la actividad eléctrica de nuestro planeta.

Por otra parte, la misión TARANIS tiene objetivos similares a ASIM y, para ser llevada a cabo, la agencia espacial francesa (CNES) lanzará, en la segunda mitad de 2018, un satélite dotado de detectores especialmente diseñados para el estudio de la actividad eléctrica desde una altitud de setecientos kilómetros en órbita polar. La misión COBRAT pretende maximizar el retorno científico de ASIM y TARANIS mediante globos estratosféricos cuyas góndolas serán equipadas con instrumentación científica (hasta un máximo de ciento cincuenta  kilogramos de peso). Los globos COBRAT están diseñados para sobrevolar regiones tormentosas durante más de una semana a una altura de entre veinte y cincuenta kilómetros. Los primeros globos de la misión COBRAT se lanzarán en 2019 o 2020.

Una misión importante para el estudio de los rayos terrestres es LIS (Lightning Imaging Sensor), diseñada por la NASA y que ha proporcionado valiosa información desde que fue lanzada en el año 1997 a bordo del satélite TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) de NASA. En 2013 se acordó el lanzamiento a comienzos de 2016 de un gemelo de LIS, que se acoplará a la Estación Espacial Internacional y contará con cámaras de cuatro kilómetros de resolución espacial que observarán los rayos de tormenta día y noche en coordinación con ASIM. La misión ISS-LIS será pues totalmente complementaria a ASIM, y brindará la oportunidad de observar simultáneamente los rayos de tormenta y los fenómenos transitorios y emisiones energéticas producidos en las capas superiores de la atmósfera.
Por otra parte, a finales de 2016 está previsto el lanzamiento del primero de una nueva serie de satélites geoestacionarios (órbitas a 36.000 kilómetros de altura) dedicado a la observación de rayos desde el espacio, conocido como GOES-R (Geostationary Operational Environmental Satellite), diseñado por NASA y operado por NOAA (National Oceanic and Atmospheric Agency). Uno de los principales objetivos reside en realizar observaciones de rayos de tormenta cada treinta segundos para obtener información que permita mejorar los modelos de predicción meteorológica y de tiempo severo.
Parecido objetivo tendrá un satélite de la serie Meteosat de Tercera Generación (MTG), diseñada por la Organización Europea para la Explotación de Satélites Meteorológicos, que en el año 2019 pondrá en órbita por primera vez un satélite geoestacionario equipado con sensores de rayos.
Sin duda, las futuras misiones espaciales para la Tierra, Venus y Marte proporcionarán información que nos permitirá validar modelos y desarrollar otros nuevos, y aportarán información importante sobre la influencia de la electricidad atmosférica en las propiedades químicas y eléctricas de las atmósferas de los planetas interiores del Sistema Solar, lo que nos llevará a comprender mejor su historia y su clima.