Sprites y Rayos Cósmicos: Los Rayos Fantasma de la Atmósfera

Rayos rojos en la cima del cielo

Por encima de las tormentas clásicas, en la alta atmósfera, a veces aparecen relámpagos fugaces y rojos: estos son los sprites, o duendes. Estos eventos luminosos transitorios (TLE) ocurren entre 50 y 90 km de altitud, muy por encima de la troposfera tormentosa. Son provocados por potentes descargas eléctricas inducidas por las tormentas, pero también influenciadas por partículas energéticas provenientes del espacio, los rayos cósmicos.

Rayos cósmicos y el desencadenamiento de sprites

Los rayos cósmicos galácticos son núcleos atómicos acelerados a velocidades relativistas por supernovas u otros eventos extremos. Cuando penetran en la atmósfera terrestre, interactúan con los núcleos del aire y crean lluvias de partículas secundarias. Estos muones, electrones y positrones pueden aumentar localmente la ionización de la mesosfera y facilitar la aparición de un campo eléctrico suficiente para iniciar un sprite. En particular, los electrones relativistas pueden reducir la tensión de ruptura en el aire enrarecido, haciendo posible el inicio de un canal conductor de varias decenas de kilómetros.

Un mecanismo aún poco comprendido

El mecanismo preciso que vincula los rayos cósmicos y los sprites es complejo. Parece que los campos eléctricos generados por rayos positivos en el suelo (positive cloud-to-ground strokes) juegan un papel fundamental, desencadenando una onda cuasi-electrostática ascendente que interactúa con las capas ionizadas. Los rayos cósmicos, por lo tanto, no son la causa directa, pero pueden actuar como desencadenantes catalíticos. Algunos experimentos, como los del satélite TARANIS (CNES, 2020), tenían como objetivo desentrañar estas interacciones finas. Desafortunadamente, la misión se perdió poco después de su lanzamiento, y muchas preguntas siguen abiertas.

Implicaciones atmosféricas y planetarias

Los sprites no son simples curiosidades visuales. Su estudio revela dinámicas complejas en la alta atmósfera terrestre, influenciadas tanto por la meteorología local como por procesos astrofísicos. Además, la energía que liberan (hasta varios cientos de megajulios) puede desempeñar un papel en la química de la mesosfera, en particular en la formación de radicales como NO_x o O₃. Finalmente, los sprites también podrían existir en las atmósferas de otros planetas, como Júpiter o Saturno, lo que los convertiría en un fenómeno universal vinculado a campos eléctricos intensos en las atmósferas planetarias.

Rayos Cósmicos y Mutación de Especies

Una Fuente Natural de Radiación

Los rayos cósmicos, compuestos principalmente de protones y núcleos pesados acelerados a velocidades relativistas, interactúan con la atmósfera terrestre para producir partículas secundarias, como muones, neutrones o electrones. Estas partículas a veces atraviesan la biosfera y alcanzan las células vivas. Aunque su flujo es bajo en la superficie terrestre (~1 partícula/cm²/minuto), su alta energía les permite inducir daños a nivel del ADN.

Mutaciones Puntuales e Inestabilidades Cromosómicas

Cuando un rayo cósmico o una partícula secundaria atraviesa una célula, puede provocar una rotura de una o ambas hebras del ADN. Si estas lesiones no se reparan correctamente, pueden conducir a mutaciones puntuales, reordenamientos cromosómicos o deleciones. Este mecanismo aleatorio puede a veces inducir una **mutación ventajosa**, pero con más frecuencia, resulta en una pérdida de viabilidad celular o carcinogénesis.

Sprites desde la Estación Espacial Internacional

Una posición de observación privilegiada

La Estación Espacial Internacional (ISS), que orbita a una altitud de aproximadamente 400 km, sobrevuela periódicamente zonas de tormentas tropicales muy activas. Esta altitud permite a los astronautas y a los instrumentos a bordo observar los sprites desde arriba o lateralmente, a través de la mesosfera. A diferencia de los observadores terrestres, limitados por la cobertura de nubes y el ángulo de visión, la ISS se beneficia de un cielo despejado y una visibilidad lateral de cientos de kilómetros.

ASIM: un ojo científico en los sprites

Instalado en 2018 en el módulo Columbus, el instrumento europeo ASIM (Atmosphere-Space Interactions Monitor) está dedicado a la observación de fenómenos luminosos transitorios (TLE). Combina cámaras rápidas, detectores de rayos X/gamma y fotómetros sensibles. Gracias a ASIM, los investigadores han obtenido secuencias de alta resolución de sprites, ELVES y jets azules, lo que les permite estudiar su dinámica fina y su espectro de emisión en el UV cercano y el visible.

Estructuras filamentosas tridimensionales

Desde el espacio, los sprites se revelan como estructuras complejas de varias decenas de kilómetros, a menudo organizadas en filamentos paralelos o ramificados, que evocan raíces invertidas o zanahorias. Su luz roja, principalmente de la excitación del N₂, aparece durante unos pocos milisegundos. Los datos espectroscópicos también muestran la presencia de líneas de emisión relacionadas con la disociación molecular y la recombinación iónica.

Una atmósfera más dinámica de lo que se pensaba

La ISS ha confirmado que la atmósfera superior está lejos de ser tranquila. No solo se observan sprites, sino también fenómenos como los ELVES (anillos luminosos de 300 km de diámetro creados por los pulsos electromagnéticos de los rayos) o los blue jets, estos chorros de plasma azul que se elevan hasta 50 km de altitud. Estas observaciones revelan interacciones complejas entre la electricidad de las tormentas, los campos electromagnéticos y las partículas cósmicas.

Un vínculo entre el espacio y el clima

Los datos recopilados desde la ISS contribuyen a una nueva comprensión de la teledetección atmosférica. Los sprites se convierten así en una sonda natural de la ionización de la atmósfera superior. Ofrecen un punto de convergencia entre las ciencias de la Tierra y las ciencias del espacio, en una perspectiva transdisciplinaria que combina meteorología, física de plasmas, óptica y astrofísica de partículas.

Tabla comparativa: rayo, sprite y rayo cósmico

Fuentes: Neubert et al. (2008), Journal of Geophysical Research – Sprites, ELVES and other transient luminous events , Chanrion et al. (2020), Nature – Blue Jet observed from the International Space Station , ESA – Catálogo de observaciones de ASIM , Dwyer & Uman (2014), Space Science Reviews – Physics of Lightning , arXiv:2304.08934 – Influencia de partículas de alta energía en descargas atmosféricas .