Los investigadores a veces utilizan los términos relámpago de la alta atmósfera y relámpago ionosférico para referirse a una familia de fenómenos de ruptura eléctrica de corta duración que ocurren muy por encima de las altitudes de los relámpagos y las nubes de tormenta normales. Se cree que los relámpagos de la alta atmósfera son formas de plasma luminoso inducidas eléctricamente . El uso preferido es evento luminoso transitorio ( TLE ), porque 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 rayos. [1] [2]
Existen varios tipos de TLE, siendo los más comunes los sprites . Los sprites son destellos de luz roja brillante que se producen por encima de los sistemas de tormentas . Los C-sprites (abreviatura de "sprites columnares") es el nombre que se da a las columnas verticales de luz roja. Los C-sprites que presentan zarcillos a veces se denominan "sprites zanahoria". Otros tipos de TLE incluyen halos de sprites, fantasmas, chorros azules, chorros gigantes, duendes, gnomos, trolls, estrellas azules y ELVES. El acrónimo ELVES (" emisión de luz y perturbaciones de muy baja frecuencia debido a fuentes de pulsos electromagnéticos ") se refiere a un evento singular que comúnmente se considera plural. Los TLE son fenómenos secundarios que ocurren en la atmósfera superior en asociación con los rayos de tormenta subyacentes . [3]
Los TLE suelen durar entre menos de un milisegundo y más de dos segundos. La primera grabación en vídeo de un TLE se capturó accidentalmente el 6 de julio de 1989, cuando el investigador RC Franz dejó una cámara encendida durante la noche para observar el cielo nocturno. Al revisar el vídeo tomado, aparecieron dos imágenes verticales con forma de dedos en dos fotogramas de la película. Las siguientes grabaciones en vídeo conocidas de un TLE se tomaron en 1989, cuando la misión STS-34 del transbordador espacial estaba realizando el Experimento de Observación de Relámpagos a Mesoescala. El 21 de octubre de 1989 se registraron TLE durante las órbitas 44 y 45.
Los TLE han sido captados por una variedad de sistemas de grabación óptica , y el número total de eventos registrados recientemente (principios de 2009) se estima en varias decenas de miles. La tasa global de ocurrencia de TLE se ha estimado a partir de observaciones satelitales ( FORMOSAT-2 ) en varios millones de eventos por año.
En la década de 1920, el físico escocés CTR Wilson predijo que las descargas eléctricas deberían ocurrir en la atmósfera por encima de grandes tormentas eléctricas. [4] [5] En las décadas siguientes, los pilotos de aviones informaron sobre descargas eléctricas a gran altitud y los meteorólogos las descartaron hasta que se documentó la primera evidencia visual directa en 1989. Varios años después, los investigadores denominaron "sprites" a las firmas ópticas de estos eventos para evitar implicar inadvertidamente propiedades físicas que, en ese momento, aún eran desconocidas. Los términos " sprites rojos" y "jets azules" ganaron popularidad después de que circulara un videoclip tras una campaña de investigación aeronáutica para estudiar los "sprites" en 1994. [ cita requerida ]
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. Son provocados por las descargas de rayos positivos entre la nube de tormenta y el suelo. [6] Los fenómenos recibieron su nombre del travieso sprite , por ejemplo, Ariel o Puck de Shakespeare , [7] y también es un acrónimo de perturbaciones estratosféricas/mesosféricas resultantes de la intensa electrificación de tormentas eléctricas. [8] Normalmente son de color naranja rojizo o azul verdoso, con zarcillos colgantes debajo y ramas arqueadas arriba. También pueden estar precedidos por un halo rojizo, conocido como halo de sprite. A menudo se producen en grupos, alcanzando de 50 kilómetros (31 millas) a 90 kilómetros (56 millas) sobre la superficie de la Tierra . Los sprites han sido presenciados miles de veces. [9] Se ha responsabilizado a los sprites de accidentes inexplicables relacionados con operaciones de vehículos a gran altitud sobre tormentas eléctricas. [10]
Aunque se considera que los chorros son un tipo de relámpago de la atmósfera superior, se ha descubierto que son componentes de los relámpagos troposféricos y un tipo de descarga de nube a aire que se inicia dentro de una tormenta eléctrica y viaja hacia arriba. Por el contrario, otros tipos de descargas de rayos troposféricos no están conectados eléctricamente con los relámpagos troposféricos, a pesar de ser desencadenados por ellos. Los dos tipos principales de chorros son los chorros azules y los chorros gigantes . Los chorros azules se consideran una forma más débil de chorros azules. [ cita requerida ]
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 protección" negativa presente sobre esta región de carga. El extremo positivo de la red líder 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. Anteriormente se creía que los chorros azules no estaban directamente relacionados con los relámpagos, y que la presencia de granizo de alguna manera conducía a su aparición. [11] También son más brillantes que los sprites y, como implica su nombre, son de color azul. Se cree que el color se debe a un conjunto de líneas de emisión azules y casi ultravioleta del nitrógeno molecular neutro e ionizado . Se registraron por primera vez el 21 de octubre de 1989, en un video monocromático de una tormenta eléctrica en el horizonte tomado desde el transbordador espacial cuando pasaba sobre Australia . 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. Fueron tomadas en una serie de vuelos aéreos en 1994 para estudiar sprites. [12] Más recientemente, se ha observado el origen y la formación de chorros azules desde la Estación Espacial Internacional . [3]
Los starters azules fueron descubiertos en un vídeo durante un vuelo de investigación nocturno alrededor de tormentas eléctricas [13] y parecen ser "un fenómeno luminoso que se mueve hacia arriba y que está estrechamente relacionado con los chorros azules". [14] Parecen ser más cortos y brillantes que los chorros azules, y alcanzan altitudes de tan solo 20 km. [15] "Los starters azules parecen ser chorros azules que nunca llegan a alcanzar su máximo potencial", según el Dr. Victor P. Pasko, profesor asociado de ingeniería eléctrica. [16]
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 intranube entre las regiones de carga negativa media y positiva superior en la nube de tormenta. El líder cargado negativamente luego escapa hacia arriba de la nube hacia la ionosfera antes de poder descargarse dentro de la nube. Los chorros gigantes alcanzan altitudes mayores que los chorros azules, y terminan a 90 km. [17] [18] Si bien pueden parecer visualmente similares a los sprites de tipo zanahoria, los chorros gigantes se diferencian en que no están asociados con relámpagos de nube a tierra y se propagan hacia arriba desde la nube a una velocidad más lenta. [19]
El 14 de septiembre de 2001, los científicos del Observatorio de Arecibo fotografiaron un chorro gigantesco (el doble de altura que los observados anteriormente) que alcanzó unos 70 km (45 mi) en la atmósfera. [20] El chorro estaba ubicado sobre una tormenta eléctrica sobre un océano y duró menos de un segundo. Inicialmente se observó que el chorro viajaba a unos 50 km/s (110.000 mph; 180.000 km/h) a una velocidad similar a la de un rayo típico, que aumentó a 160 y 270 km/s (360.000–600.000 mph; 580.000–970.000 km/h), pero luego se dividió en dos y aceleró hacia arriba con velocidades de al menos 2.000 km/s (4.500.000 mph; 7.200.000 km/h) hasta la ionosfera , donde luego se extendió en un brillante estallido de luz.
El 22 de julio de 2002, se observaron cinco chorros gigantescos de entre 60 y 70 kilómetros (35 y 45 millas) de longitud sobre el Mar de China Meridional desde Taiwán , según se informó en Nature . [21] [22] Los chorros duraron menos de un segundo, con formas que los investigadores compararon con árboles gigantes y zanahorias.
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 a 35,6° N, 119,8° E, cerca del mar de Huanghai )". [23]
El 2 de febrero de 2014, el Observatorio Oro Verde de Argentina informó de diez o más eventos de chorro gigantescos observados sobre una tormenta eléctrica en el sur de Entre Ríos . El centro de la tormenta se ubicó a 33°S, 60°O, cerca de la ciudad de Rosario . [ cita requerida ]
El 13 de agosto de 2016, el fotógrafo Phebe Pan capturó una clara fotografía gran angular de un gigantesco chorro con una lente gran angular mientras fotografiaba meteoros Perseidas en la cima del pico Shi Keng Kong en la provincia de Guangdong [24] y Li Hualong capturó el mismo chorro desde una ubicación más distante en Jiahe, Hunan, China. [25]
El 28 de marzo de 2017, el fotógrafo Jeff Miles capturó cuatro aviones gigantescos sobre Australia. [26]
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. [27]
El 16 de octubre de 2019, el piloto Chris Holmes capturó un video de alta resolución de un chorro gigantesco a 35.000 pies (10,6 km) sobre el Golfo de México, cerca de la península de Yucatán. [28] Desde 35 millas (56 km), el video de Holmes muestra una serpentina azul que se eleva desde la parte superior de una tormenta eléctrica hasta la ionosfera, volviéndose roja en la parte superior. Solo entonces, un líder de relámpago blanco brillante 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 10:41 pm (02:41 UTC) mirando hacia el NE de 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 el área. [29]
El 15 de febrero de 2024, el fotógrafo JJ Rao (Nature by JJ) capturó un avión gigante en un video de cámara lenta de alta resolución desde Derby, en la región de Kimberley en Australia Occidental. [30]
Los ELVES suelen aparecer como un resplandor tenue, aplanado y en expansión de unos 400 km (250 mi) de diámetro que dura, por lo general, solo un milisegundo . [31] Se producen en la ionosfera a 100 km (62 mi) sobre el suelo, sobre tormentas eléctricas . Su color fue desconocido durante algún tiempo, pero ahora se sabe que es rojo. Los ELVES se registraron por primera vez en otra misión del transbordador, esta vez registrada frente a la Guayana Francesa el 7 de octubre de 1990. [14] Ese ELVES fue descubierto en el Shuttle Video por el equipo del Experimento de Relámpagos de Mesoescala (MLE) en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales , AL, dirigido por el investigador principal, Otha H. "Skeet" Vaughan, Jr. [ cita requerida ]
ELVES es un acrónimo caprichoso para emisiones de luz y perturbaciones de muy baja frecuencia debido a fuentes de pulsos electromagnéticos. [32] Esto se refiere al proceso por el cual se genera la luz; la excitación de las moléculas de nitrógeno debido a colisiones de electrones (los electrones posiblemente hayan sido energizados por el pulso electromagnético causado por una descarga de una tormenta eléctrica subyacente). [33] [34]
Los TROLL (lineamientos luminosos ópticos rojos transitorios) aparecen después de los sprites fuertes y aparecen como puntos rojos con colas tenues; en cámaras de mayor velocidad, aparecen como una serie rápida de eventos, comenzando como un resplandor rojo que se forma después de un zarcillo de sprite, que luego produce una raya roja hacia abajo desde sí mismo. Son similares a los chorros. [35] [36]
Los duendes fueron observados por primera vez durante el programa STEPS durante el verano de 2000, un programa de campo multiorganizacional que investigaba las características eléctricas de las tormentas eléctricas en las Altas Planicies . Se observó una serie de eventos luminosos blancos inusuales sobre la tormenta eléctrica durante un período de 20 minutos, con una duración promedio de 16 milisegundos cada uno. Más tarde se los denominó "pixies". Estos duendes tienen menos de 100 metros de ancho y no están relacionados con los rayos. [35]
Los fantasmas (emisiones ópticas verdosas de las partes superiores de los sprites) son destellos verdes débiles que aparecen dentro de la huella de un sprite rojo, permanecen después de que el rojo se haya disipado y se desvanecen en milisegundos. [37] Aunque se pueden ver posibles ejemplos de fantasmas en imágenes históricas, los fantasmas fueron observados por primera vez como un fenómeno exclusivo por los cazadores de tormentas Hank Schyma y Paul M Smith en 2019. [38]
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- del oxígeno atómico, el sodio atómico y el silicio iónico. [39]
Un gnomo es un tipo de relámpago que consiste en una pequeña y breve punta de luz que apunta hacia arriba desde la parte superior del yunque de una nube de tormenta, que se produce cuando fuertes corrientes ascendentes empujan el aire húmedo por encima del yunque. Dura solo unos pocos microsegundos. [35] Tiene unos 200 metros de ancho y una altura máxima de 1 kilómetro. Se desconoce su color, ya que solo se ha observado en imágenes en blanco y negro. La mayoría de las fuentes se refieren a ellos de manera extraoficial como "gnomos". [40]
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