Nubes de tormenta y cascadas atmosféricas
La atmósfera de la Tierra es una capa de gas que cubre toda la superficie del planeta. Es gracias a esta atmósfera que la vida es posible en la Tierra. Está compuesta principalmente por nitrógeno en un 78%, oxígeno con 21%, argón con 0.9%, dióxido de carbono con un 0.042% (y aumentando) y otros gases.
La atmósfera se divide en 5 secciones de acuerdo a cambios en la temperatura de esta. La capa más interna y donde nosotros vivimos es la troposfera. En esta capa se dan todos los fenómenos meteorológicos que nos afectan directamente: el viento, la lluvia, las tormentas, los huracanes, los tornados, las nevadas, las granizadas, etc. La altura de esta capa no es fija, ya que depende de la hora del día, la temporada del año y del lugar en el planeta, pero en promedio, esta capa es más ancha en el ecuador (alrededor de 9 km) que en los polos (5 km).
Mientras que en la troposfera la temperatura disminuye con la altura, en la estratósfera sucede lo contrario, debido a que es el lugar donde se forma el ozono. Además de luz visible, del Sol también recibimos rayos ultravioleta, los cuales tienen energía suficiente para romper moléculas de oxígeno (O2) dejando átomos de oxígeno libres que se unen a otras moléculas de O2, formando ozono (O3). Así, cuando se dice que la capa de ozono nos protege de los rayos ultravioleta, en realidad los rayos ultravioleta son absorbidos para crear ozono.
Si tenemos una nube de tormenta a la vista y esta alcanza altura suficiente la parte superior se aplana tomando forma de yunque: ahí empieza la estratósfera. Esta capa se extiende hasta una altura de 50 km
Nube tocando la estratósfera. Se puede ver como en la parte superior se aplana y los cristales de hielo refractan la luz del Sol separándola en colores.
En la siguiente capa, la mesosfera, la temperatura vuelve a descender con la altura hasta llegar a la termosfera, donde la temperatura vuelve a subir hasta unos 2000º C. Aunque esta última temperatura pareciera muy caliente en realidad se refiere a que las moléculas en esa zona se mueven a muy alta velocidad, pero la densidad es tan baja que en nuestra piel la sentiríamos como muy fría. Finalmente por encima de la termosfera está la exosfera. Las moléculas de aire que alcanzan esta capa escapan hacia el espacio.
Las capas de la atmósfera. Crédito: National Oceanic and Atmospheric Administration. https://www.noaa.gov/jetstream/atmosphere/layers-of-atmosphere.
Cuando la nube de tormenta ya está bien formada, los cristales de hielo crecen hasta volverse lo suficientemente pesados para empezar a caer y en el descenso se descongelan para formar gotas de lluvia. Entonces en la nube se forman dos corrientes, una ascendente con los cristales de hielo y una descendente con las gotas de lluvia. Cuando las gotas chocan con los cristales, estos se cargan positivamente mientras que las gotas se cargan negativamente. Así, la parte superior de la nube tiene exceso de carga positiva mientras que la base tiene exceso de carga negativa. Este exceso de carga hace que las cargas negativas en el suelo debajo de la nube se repelen mientras que atrae las cargas positivas, así el suelo tiene una carga neta positiva. Este proceso hace que haya una diferencia de potencial entre la nube y el suelo o dentro de la nube misma de millones o cientos de millones de volts y es cuando se da la posibilidad de descargas eléctricas.
Tormenta eléctrica sobre la Ciudad de Oaxaca.
INTERACCIÓN DE LOS RAYOS CÓSMICOS CON LAS NUBES DE TORMENTA
Los rayos cósmicos cuando entran a la atmósfera producen lo que se conoce como “cascadas de partículas”. Esto se debe a que traen tanta energía que las partículas secundarias que producen son capaces de también producir partículas secundarias. Así, un solo rayo cósmico primario, dependiendo de su energía, puede producir hasta miles de millones de partículas secundarias entre piones, kaones, muones, electrones, neutrinos y rayos gamma. Esta cascada de partículas se propaga por la atmósfera y puede alcanzar el suelo.
Esquema de una cascada atmosférica. HAWC Collaboration. https://www.hawc-observatory.org/science/cosmicrays.php
La presión, temperatura y humedad de la atmósfera están variando constantemente, principalmente por el ciclo del día y la noche. Esto se traduce en cambios en la densidad de moléculas de aire con los que van a interactuar los rayos cósmicos y el grueso de la columna de aire en la que se van a desarrollar las cascadas de partículas. Así, se pueden medir variaciones de presión en la atmósfera sólo midiendo cambios en el flujo de rayos cósmicos en tierra.
Adicionalmente el estado del tiempo en una determinada región puede también alterar la propagación de las partículas secundarias en la atmósfera. En particular, las nubes de tormentas. En una nube de tormenta existe una separación de cargas eléctricas que puede generar campos eléctricos de millones de volts. Ya que una buena parte de las partículas secundarias son partículas con carga eléctrica, sus trayectorias se van a ver afectadas por la presencia de estos campos eléctricos. Adicionalmente, cuando hay descargas eléctricas, estas corrientes generan campos magnéticos que también van a alterar las trayectorias de las partículas secundarias.
Una forma interesante en que se da la interacción entre rayos cósmicos y las nubes de tormenta es un mecanismo llamado “runaway breakdown”, propuesto por Aleksandr Gurevich en 1992. En una nube de tormenta se pueden formar un campo eléctrico de millones de volts. Pero aunque sea un campo eléctrico tan intenso, la energía contenida puede no ser suficiente para que se inicie una descarga eléctrica, es decir, un rayo. Los rayos cósmicos pueden proveer de esa energía adicional. Entonces, en el mecanismo de runaway breakdown, los rayos cósmicos ionizan átomos presentes en la nube produciendo electrones libres. Estos electrones son acelerados por el campo eléctrico de la nube y al colisionar con otros átomos los ionizan, produciendo aún más electrones libres que inician la descarga eléctrica.
CALENTAMIENTO GLOBAL
La atmósfera de la Tierra se está calentando. El Sol calienta la superficie de la Tierra y radiación infrarroja que debería liberarse de regreso hacia el espacio está siendo atrapada por moléculas de dióxido de carbono. Estas moléculas luego transfieren esta energía a otras moléculas de la atmósfera, efectivamente calentándola. La concentración de dióxido de carbono ha ido en aumento desde poco menos de 280 partes por millón antes de la revolución industrial hasta el valor actual de más de 420 partes por millón. Este efecto podría también tener implicaciones en la detección de radiación cósmica.