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Sprite (rayo)

Un sprite sobre el sudeste asiático visto desde el espacio.

Los sprites o sprites rojos son descargas eléctricas a gran escala que se producen en la mesosfera , muy por encima de las nubes de tormenta o cumulonimbos , dando lugar a una gama variada de formas visuales que parpadean en el cielo nocturno. Por lo general, se desencadenan por las descargas de rayos positivos entre una nube de tormenta subyacente y el suelo.

Resumen

Los sprites aparecen como destellos luminosos de color rojo anaranjado. Suelen aparecer en grupos por encima de la troposfera a una altitud de entre 50 y 90 km (31 y 56 mi). Hay informes visuales esporádicos de sprites que se remontan al menos a 1886. [1] Fueron fotografiados por primera vez el 4 de julio de 1989 [2] por científicos de la Universidad de Minnesota y, posteriormente, han sido capturados en grabaciones de vídeo miles de veces.

A veces se denomina a los sprites, de forma incorrecta, relámpagos de la atmósfera superior . Sin embargo, son fenómenos de plasma frío que carecen de las temperaturas de canal caliente de los relámpagos troposféricos , por lo que son más similares a las descargas de los tubos fluorescentes que a las descargas de los relámpagos. Los sprites están asociados con varios otros fenómenos ópticos de la atmósfera superior, incluidos los chorros azules y los ELVES . [1]

Historia

El primer informe conocido es el de Toynbee y Mackenzie en 1886. [3] El premio Nobel CTR Wilson había sugerido en 1925, sobre bases teóricas, que podían producirse averías eléctricas en la atmósfera superior, y en 1956 fue testigo de lo que posiblemente podría haber sido un sprite. Se documentaron fotográficamente por primera vez el 6 de julio de 1989, cuando científicos de la Universidad de Minnesota , utilizando una cámara de vídeo con poca luz, capturaron accidentalmente la primera imagen de lo que posteriormente se conocería como un sprite. [4]

Varios años después de su descubrimiento, se les llamó sprites (espíritus del aire) por su naturaleza esquiva. [5] Desde la captura de video de 1989, los sprites han sido fotografiados desde el suelo, desde aviones y desde el espacio, y se han convertido en objeto de intensas investigaciones. Un video destacado de alta velocidad que fue capturado por Thomas Ashcraft , Jacob L Harley, Matthew G McHarg y Hans Nielsen en 2019 a aproximadamente 100,000 cuadros por segundo es lo suficientemente rápido como para proporcionar mejores detalles de cómo se desarrollan los sprites. Sin embargo, según el blog APOD de la NASA, a pesar de estar registrado en fotografías y videos durante más de 30 años, la "causa raíz" de los relámpagos de sprites sigue siendo desconocida, "aparte de una asociación general con relámpagos positivos de nube a tierra". La NASA también señala que no todas las tormentas exhiben relámpagos de sprites. [6]

En 2016, se observaron sprites durante el paso del huracán Matthew por el Caribe. [7] Actualmente se desconoce el papel de los sprites en los ciclones tropicales. [8]

Características

Se han observado sprites en América del Norte , [9] América Central , América del Sur , [10] Europa , [11] África Central ( Zaire ), Australia , el Mar de Japón y Asia y se cree que ocurren durante la mayoría de los grandes sistemas de tormentas eléctricas.

Rodger (1999) categorizó tres tipos de sprites según su apariencia visual. [1]

Los sprites son de color naranja rojizo [5] en sus regiones superiores, con zarcillos colgantes azulados por debajo, y pueden estar precedidos por un halo rojizo. Duran más que las descargas estratosféricas inferiores normales, que duran típicamente unos pocos milisegundos, y generalmente son desencadenadas por las descargas de relámpagos positivos entre la nube de tormenta y el suelo, [12] aunque también se han observado sprites generados por relámpagos negativos en el suelo. [13] A menudo se presentan en grupos de dos o más, y generalmente abarcan un rango de altitud de 50 a 90 kilómetros (31 a 56 millas), con lo que parecen ser zarcillos colgando por debajo y ramas que se extienden por encima. [5]

Las imágenes ópticas obtenidas con una cámara de alta velocidad de 10 000 fotogramas por segundo mostraron que los sprites son en realidad grupos de pequeñas bolas de ionización de escala decámétrica (10-100 m o 33-328 pies) que se lanzan a una altitud de unos 80 km (50 mi) y luego se mueven hacia abajo a velocidades de hasta el diez por ciento de la velocidad de la luz , seguidas unos milisegundos más tarde por un conjunto separado de bolas de ionización que se mueven hacia arriba. [14] Los sprites pueden desplazarse horizontalmente hasta 50 km (31 mi) desde la ubicación del rayo subyacente, con un retraso de tiempo después del rayo que suele ser de unos pocos milisegundos, pero en raras ocasiones puede ser de hasta 100 milisegundos.

Esta filmación de la ISS muestra un sprite rojo sobre el este de Asia inmediatamente antes de las 0:07, directamente encima del gran relámpago hacia la parte superior derecha del cuadro.

Para filmar sprites desde la Tierra, deben darse condiciones especiales: 150–500 km (93–311 mi) de visión clara hasta una poderosa tormenta eléctrica con rayos positivos entre la nube y el suelo, equipo de grabación sensible al rojo y un cielo negro sin iluminación. [15]

Mecanismo

Los sprites aparecen cerca de la parte superior de la mesosfera , a unos 80 km de altitud, en respuesta al campo eléctrico generado por los relámpagos en las tormentas eléctricas subyacentes. Cuando un rayo positivo suficientemente grande lleva cargas al suelo, la parte superior de la nube queda con una carga neta fuertemente negativa. Esto se puede modelar como un dipolo eléctrico cuasiestático y durante menos de 10 milisegundos se genera un campo eléctrico fuerte en la región por encima de la tormenta eléctrica. En la baja presión de la mesosfera superior, el voltaje de ruptura se reduce drásticamente, lo que permite que se produzca una avalancha de electrones . [16] [17] Los sprites obtienen su color rojo característico de la excitación del nitrógeno en el entorno de baja presión de la mesosfera superior. A presiones tan bajas, la extinción por oxígeno atómico es mucho más rápida que la del nitrógeno, lo que permite que las emisiones de nitrógeno dominen a pesar de que no hay diferencia en la composición. [18] [19]

Halo de sprites

Los sprites a veces son precedidos, por aproximadamente 1 milisegundo, por un halo de sprites , una región con forma de panqueque de emisiones ópticas débiles y transitorias de aproximadamente 50 kilómetros (31 millas) de ancho y 10 kilómetros (6,2 millas) de espesor. El halo está centrado a unos 70 kilómetros (43 millas) de altitud por encima del rayo iniciador. Se cree que estos halos se producen por el mismo proceso físico que produce sprites, pero para los cuales la ionización es demasiado débil para cruzar el umbral requerido para la formación de serpentinas. A veces se los confunde con ELVES , debido a su similitud visual y corta duración. [20] [21] [22]

Una investigación realizada en la Universidad de Stanford en 2000 indica que, a diferencia de los sprites con una estructura columnar vertical brillante, la aparición de halos de sprites no es inusual en asociación con descargas de rayos normales (negativas). [22] Una investigación realizada en 2004 por científicos de la Universidad de Tohoku descubrió que se producen emisiones de frecuencia muy baja al mismo tiempo que el sprite, lo que indica que una descarga dentro de la nube puede generar los sprites. [23]

Daños a aeronaves relacionados

Se ha culpado a los sprites de accidentes inexplicables que involucraban operaciones vehiculares a gran altitud sobre tormentas eléctricas. Un ejemplo de esto es el mal funcionamiento de un globo estratosférico de la NASA lanzado el 6 de junio de 1989 desde Palestine, Texas . El globo sufrió una liberación no comandada de la carga útil mientras volaba a 120.000 pies (37.000 m) sobre una tormenta eléctrica cerca de Graham, Texas . Meses después del accidente, una investigación concluyó que un "rayo" que viajaba hacia arriba desde las nubes provocó el incidente. [24] La atribución del accidente a un sprite se hizo retroactivamente, ya que este término no fue acuñado hasta fines de 1993.

Véase también

Referencias

  1. ^ abc Rodger, CJ (1999). "Sprites rojos, relámpagos ascendentes y perturbaciones VLF". Reseñas de Geofísica . 37 (3): 317–336. doi :10.1029/2001JA000283.
  2. ^ "NASA - Pepita de heliofísica: Ver sprites".
  3. ^ Toynbee, Henry (14 de enero de 1886). «Fenómenos meteorológicos (carta)». Nature . 33 (846): 245. doi : 10.1038/033245d0 . S2CID  4128139.
  4. ^ Franz, RC; Nemzek, RJ; Winckler, JR (1990). "Imagen de televisión de una gran descarga eléctrica ascendente sobre un sistema de tormenta eléctrica". Science . 249 (4964): 48–51. Bibcode :1990Sci...249...48F. doi :10.1126/science.249.4964.48. PMID  17787625. S2CID  9343018.
  5. ^ abc Sentman, DD; Wescott, EM; Osborne, DL; Hampton, DL; Heavner, MJ (1995). "Resultados preliminares de la campaña de aviones Sprites94: 1. Sprites rojos". Geophys. Res. Lett . 22 (10): 1205–1208. Código Bibliográfico :1995GeoRL..22.1205S. doi :10.1029/95GL00583.
  6. ^ "Relámpago de sprites a 100.000 fotogramas por segundo". APOD.NASA.gov . APOD de la NASA (blog de la imagen astronómica del día) . Consultado el 19 de julio de 2022 .
  7. ^ "Raros y coloridos duendes de relámpagos bailan sobre el huracán Matthew". National Geographic . 3 de octubre de 2016. Archivado desde el original el 4 de octubre de 2016 . Consultado el 3 de octubre de 2016 .
  8. ^ "El huracán Matthew y la banda día/noche". Instituto Cooperativo de Estudios Meteorológicos por Satélite . Universidad de Wisconsin-Madison. 7 de octubre de 2016. Consultado el 3 de noviembre de 2016 .
  9. ^ Kathy Berry (1994). Espectaculares destellos de color registrados sobre tormentas eléctricas. NASA . Recuperado el 18 de febrero de 2009.
  10. ^ Don Savage y Kathy Berry (1995). Confirmada la presencia de sprites sobre tormentas fuera de Estados Unidos por primera vez. NASA . Recuperado el 18 de febrero de 2009.
  11. ^ "Fenómeno atmosférico raro observado desde Armagh". Archivado desde el original el 5 de septiembre de 2013. Consultado el 21 de agosto de 2013 .
  12. ^ Boccippio, DJ; Williams, ER; Heckman, SJ; Lyons, WA; Baker, IT; Boldi, R (agosto de 1995). "Sprites, transitorios ELF y golpes de tierra positivos". Science . 269 (5227): 1088–1091. Bibcode :1995Sci...269.1088B. doi :10.1126/science.269.5227.1088. PMID  17755531. S2CID  8840716.
  13. ^ Lu, Gaopeng; Cummer, Steven A; Blakeslee, Richard J; Weiss, Stephanie; Beasley, William H (2012). "Morfología del rayo y cambio del momento de carga de impulso de descargas negativas de corriente de pico alta". Revista de investigación geofísica: Atmósferas . 117 (D4): n/a. Código Bibliográfico :2012JGRD..117.4212L. CiteSeerX 10.1.1.308.9842 . doi :10.1029/2011JD016890. 
  14. ^ Stenbaek-Nielsen, HC; McHarg, MG; Kanmae, T.; Sentman, DD (6 de junio de 2007). "Tasas de emisión observadas en cabezas de serpentinas de sprites". Geophys. Res. Lett . 34 (11): L11105. Bibcode :2007GeoRL..3411105S. doi : 10.1029/2007GL029881 . L11105.
  15. ^ Grønne, Jesper. "Første danske 'red sprites' fanget fra Silkeborg" Archivado el 22 de agosto de 2012 en el Instituto Meteorológico Danés Wayback Machine , 20 de agosto de 2012. Consultado el 20 de agosto de 2012.
  16. ^ Sonnenfeld, Richard G.; Hager, William W. (1 de mayo de 2013). "Inversión del campo eléctrico en la firma del campo eléctrico de Sprite". Monthly Weather Review . 141 (5): 1731–1735. Código Bibliográfico :2013MWRv..141.1731S. doi :10.1175/MWR-D-12-00220.1. ISSN  1520-0493.
  17. ^ Pasko, VP; Inan, US; Bell, TF; Taranenko, YN (marzo de 1997). "Sprites producidos por calentamiento cuasielectrostático e ionización en la ionosfera inferior". Revista de investigación geofísica: Física espacial . 102 (A3): 4529–4561. Bibcode :1997JGR...102.4529P. doi :10.1029/96JA03528. ISSN  0148-0227.
  18. ^ Sentman, DD; Stenbaek-Nielsen, HC; McHarg, MG; Morrill, JS (16 de junio de 2008). "Química plasmática de serpentinas de sprites". Journal of Geophysical Research: Atmospheres . 113 (D11). Bibcode :2008JGRD..11311112S. doi :10.1029/2007JD008941. ISSN  0148-0227.
  19. ^ Liu, Ningyu; Pasko, Victor P. (marzo de 2005). "Emisiones en ultravioleta lejano del sistema de bandas LBH de nitrógeno molecular de serpentinas de sprites". Geophysical Research Letters . 32 (5). Código Bibliográfico :2005GeoRL..32.5104L. doi :10.1029/2004GL022001. ISSN  0094-8276.
  20. ^ Rina Miyasato, Hiroshi Fukunishi, Yukihiro Takahashi, Michael J. Taylor, Hans. C. Stenbaek-Nielsen (2002). Características de los halos de sprites inducidos por rayos y sus mecanismos de generación. Academic Society Home Village. Recuperado el 18 de febrero de 2009. [ enlace roto ]
  21. ^ Christopher Barrington Leigh (2000). Halos de sprites. Archivado el 17 de septiembre de 2008 en Wayback Machine. Universidad de Stanford . Consultado el 18 de febrero de 2008.
  22. ^ ab Barrington-Leigh, CP, US Inan y M. Stanley, "Identificación de duendes y elfos con video intensificado y fotometría de matriz de banda ancha", J. Geophys. Res. 106, No. 2, febrero de 2001.
  23. ^ Ohkubo, A.; Fukunishi, H.; Takahashi, Y.; Adachi, T. (2005). "Evidencia esférica VLF/ELF de actividad de descarga en nubes que produce sprites". Geophysical Research Letters . 32 (4): L04812. Código Bibliográfico :2005GeoRL..32.4812O. doi :10.1029/2004GL021943. S2CID  53059204.
  24. ^ STRATOCAT (2009). «Datos del globo estratosférico lanzado el 5/6/1989 desde Columbia Scientific Balloon Facility, Palestine, Texas, EE. UU. para la observación de moléculas fluorescentes con un láser» . Consultado el 18 de febrero de 2009 .

Enlaces externos

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