Rayos Planetarios: Misma Física, Mundos Distantes

This is an authorized translation of an Eos article.Esta es una traducción al español autorizada de un artículo de Eos.
This translation was made possible by a partnership with Planeteando. Esta traducción fue posible gracias a una asociación con Planeteando. Traducción de Josué E. Esparza Escalante 
@josueesparzaeae y edición por Raiza Pilatowsky Gruner @raizkrispies

Un rayo en el planeta Tierra necesita sólo algunos simples ingredientes para generar una chispa. Esos ingredientes existen en todo el sistema solar y más allá.

Rayos iluminan el polo norte de Júpiter en la representación de este artista. Crédito: NASA / JPL-Caltech / SwRI / JunoCam
Rayos iluminan el polo norte de Júpiter en la representación de este artista. Crédito: NASA / JPL-Caltech / SwRI / JunoCam

Por Kimberly M. S. Cartier | 24 de Abril de 2020

¿En qué piensas cuando imaginas un rayo?

Si te imaginaste un rayo de electricidad zigzagueante golpeando el suelo desde una nube tormentosa, tienes razón. Si te imaginaste elfos, duendes, arañas, chorros o volcanes, también estás en lo correcto.

También tienes razón si te imaginas alguno de esos fenómenos en otro planeta.

En 1979, la nave espacial Voyager 1 de la NASA sobrevoló Júpiter y vio destellos de luz iluminando áreas más grandes que los Estados Unidos en el cielo nocturno del planeta. Acompañando a esos destellos había señales de radio de muy baja frecuencia, llamadas silbidos. En Júpiter, como en la Tierra, esas dos señales juntas indican inequívocamente un rayo.

Desde esa primera detección de rayos planetarios por la Voyager 1, los científicos han encontrado pruebas de rayos y otros eventos luminosos transitorios relacionados con los rayos en otras partes del sistema solar. En nuestro sistema solar y más allá, los rayos planetarios van más allá del simple esquema de «los que tienen» y «los que no tienen». También hay muchos «tal vez» y «por qué no».

Una Receta para Producir Rayos

Generar un rayo requiere algunos ingredientes clave, explicó Karen Aplin, profesora asociada de ciencia y tecnología espacial de la Universidad de Bristol en el Reino Unido. «Debido a que es como una chispa, debes de tener cargas separadas. Las cargas positivas y negativas deben de estar lo suficientemente alejadas para que el voltaje entre ellas sea lo suficientemente grande» y así provocar una descarga eléctrica en el aire. Los rayos son la manifestación de esa descarga eléctrica.

Las tormentas eléctricas de la Tierra tienen estos ingredientes clave, y por encima de las nubes de tormenta diferentes métodos de descarga de electricidad pueden crear duendes, elfos y chorros azules
Pero las tormentas eléctricas no son el único entorno que crea las condiciones necesarias para producir rayos.

«Los rayos volcánicos son realmente comunes en erupciones explosivas. No es un fenómeno raro e inusual», explicó Alexa Van Eaton , una vulcanóloga del Observatorio Vulcanológico de Cascades, del Servicio Geológico de los Estados Unidos en Vancouver, Washington. «Sucede durante la mayoría de las explosiones intermedias o grandes, y comienza de una manera simple».

«A medida que el magma sube a la superficie», dijo, «puede volverse muy espumoso y burbujeante, y romperse. Las burbujas de agua se expanden y explotan. Ese proceso de ruptura es altamente electrificante. Una vez que esas pequeñas partículas de roca —ceniza volcánica—son disparadas a la atmósfera a gran velocidad, chocan entre ellas, intercambiando electrones, y crean una carga justo en la base de la pluma volcánica. Una vez que la columna se eleva lo suficiente como para congelarse, las partículas de hielo ayudan a generar aún más rayos» al separar más las cargas eléctricas.

«Si se trata de una erupción que produce cenizas, puedes esperar que sea capaz de producir rayos».

«Si se trata de una erupción que produce cenizas, puedes esperar que sea capaz de producir rayos», dijo Sonja Behnke , una científica que investiga rayos volcánicos en el Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México. «Es muy común, e incluso si no producen rayos, la columna de cenizas aún podría estar cargada».

Los ingredientes para los rayos—moléculas de gas polarizadas, movimiento atmosférico y la posibilidad de una descarga eléctrica—existen en cualquier planeta del sistema solar que tenga una atmósfera, hasta cierto grado. Los científicos han descubierto que estos supuestos rayos planetarios crean señales similares a las de los rayos de la Tierra.

Los rayos sobrecalientan la atmósfera circundante en un plasma y crean un destello de luz visible. Este emite pulsos electromagnéticos a frecuencias de radio altas, bajas y de banda ancha. Los rayos también pueden crear pulsos de presión audibles—truenos— y pulsos magnéticos, pero estas dos señales son más difíciles de detectar incluso desde una órbita cercana alrededor de un planeta.

Los rayos volcánicos, que también pueden existir en otros mundos, emiten una señal única: miles de pequeñas chispas. «Desafortunadamente, tienes que estar bastante cerca del volcán para detectarlos», dijo Behnke. «Pero son una señal que podría explotarse … porque las tormentas eléctricas no producen un enjambre completo de estas descargas pequeñas. Es una señal muy distinta».

Los Que Tienen: Júpiter, Saturno y Urano

En Júpiter, en casi cualquier lugar y momento que miraran, los científicos observaron tormentas eléctricas , dijo Yoav Yair, decano de la Escuela de Sostenibilidad del Centro Interdisciplinario Herzliya en Israel y un científico cuya investigación se centra en la electricidad atmosférica.

Los rayos jovianos han sido observados durante 4 décadas a través de longitudes de onda de radio visibles, de baja y alta frecuencia captadas por naves espaciales y sondas atmosféricas  Después de estudiar miles de eventos de rayos, los científicos ahora saben que la mayoría de los rayos de Júpiter ocurren por encima de las latitudes medias y cerca de sus polos (donde hay grandes tormentas convectivas) y pueden ocurrir a una frecuencia similar a la de los rayos en la Tierra. Estos datos también revelan que un destello de rayo joviano tiene 10 veces la energía electromagnética total del destello de un rayo terrestre.

Saturno también tiene rayos. Mientras sobrevolaba Saturno en 1980, el Voyager 1 detectó pulsos de radio generados por rayos, inicialmente se sospechó que provenían de los anillos, pero más tarde se descubrió que provenían de la atmósfera. Pero no fue hasta que la misión Cassini llevaba en operación unos pocos años que los destellos ópticos de los rayos se hicieron visibles. Las tormentas eléctricas, o las descargas electrostáticas de Saturno, son intermitentes pero pueden durar por meses consecutivos.

La mayoría de los rayos observados por Cassini ocurrieron justo antes o después del equinoccio de Saturno en 2009, lo que sugiere que se desencadenan por un cambio estacional en el clima. Saturno también ha producido algunos de los rayos planetarios más espectaculares que se han visto hasta la fecha, incluida la «Tormenta del Dragón» de 2005 y, en 2013, la tormenta más grande y enérgica que se haya registrado en el sistema solar.

¿Hay rayos en Urano? «La respuesta es, sin duda, sí».

¿Hay rayos en Urano? «La respuesta es, sin duda, sí», afirmó Philippe Zarka. Zarka es un astrofísico y científico de alto rango en el Observatorio de París del Centro Nacional de Investigación Científica, Universidad de París Ciencias y Letras.

Las señales relacionadas con los rayos «se detectaron con la Voyager 2 durante el sobrevuelo de Urano», dijo. «Encontramos picos de radio muy, muy similares a los de Saturno. También observamos una configuración diferente en el lado diurno y nocturno del planeta. Así que está bastante claro que es un rayo«.

Voyager 2, la única misión que visitó Urano, no vio destellos visibles de relámpagos, y Aplin dijo que no es probable que ocurra «La gente cree que los rayos se encontraban a bastante profundidad de la atmósfera», dijo. «Si hubieran habido relámpagos, no los habríamos visto de todos modos porque están a demasiada profundidad para ser detectados. Hay muchas capas de nubes por encima de las capas de nubes que habrían tenido relámpagos en ellas».

Los científicos planetarios han utilizado radiotelescopios en la Tierra para estudiar los rayos en Júpiter y Saturno. Las observaciones de Urano también podrían ser posibles. «Haciendo un cálculo de servilleta», dijo Aplin, «parece que la señal podría ser detectable para los rayos de Urano, según el tipo de fuerza que estimamos que tiene».

Los Que No Tienen: Mercurio, la Luna, Titán y Plutón

Cualquier lugar en el sistema solar que no tenga una atmósfera convectiva o un proceso similar no puede tener rayos atmosféricos. Esto descarta a Mercurio, la Luna y otros cuerpos sin aire como los asteroides como sitios de generación de rayos atmosféricos o volcánicos. Aun así, el viento solar puede cargar una superficie polvorienta, incluyendo la de la Luna, lo que puede presentar un riesgo de descarga eléctrica tanto para los equipos como para los astronautas.

A diferencia de la Luna, Titán, la luna de Saturno tiene una atmósfera espesa. «Las nubes de metano en Titán no son tan buenas para producir electricidad», dijo Yair. Las nubes están hechas de una sustancia orgánica (metano), explicó, que está poco electrificada. Como resultado, las nubes tienden a ser menos capaces de acumular una carga lo suficientemente fuerte como para producir rayos.

En 2011, la nave espacial Cassini fotografió este relámpago azul (izquierda) en una nube de tormenta en Saturno. Treinta minutos después (derecha) no aparecían rayos en la nube. Cassini no encontró evidencia similar de rayos en Titán. Crédito: NASA / JPL-Caltech / SSI
En 2011, la nave espacial Cassini fotografió este relámpago azul (izquierda) en una nube de tormenta en Saturno. Treinta minutos después (derecha) no aparecían rayos en la nube. Cassini no encontró evidencia similar de rayos en Titán. Crédito: NASA / JPL-Caltech / SSI

Ningún relámpago fue observado en Titán antes de que la sonda Huygens aterrizara en 2005, y el equipo había calculado una probabilidad de menos del 1% de que la atmósfera y superficie de la luna, ricas en hidrocarburos, pudieran generar o descargar suficiente electricidad para crear un rayo.

Sin embargo, las moléculas orgánicas, como las que forman cenizas de incendios forestales en la Tierra, aún pueden crear rayos cuando se elevan a grandes alturas debido a la formación de hielo en los niveles superiores de las nubes, explicó Van Eaton. Y la atmósfera de Titán sí tiene trazas de agua.

Huygens estaba equipado con medidas de seguridad contra rayos, pero no experimentó ningún rayo. Además, Cassini no vio evidencia de rayos en Titán durante su misión de 10 años. «Si se produce un rayo, y puede que no, es probable que ocurra en las tormentas de lluvia», dijo Ralph Lorenz , científico planetario del Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins en Laurel, Maryland.

No obstante, Lorenz y el resto del equipo que está detrás de la próxima misión Dragonfly de la NASA a Titán están ejerciendo precaución. «Las tormentas de lluvia no ocurren en la latitud y estación de la misión nominal de Dragonfly. Sin embargo, estamos tomando, como los aviones en la Tierra, precauciones contra descargas electrostáticas, en caso de que ocurra cuando la arena sopla alrededor».

El último en la lista de mundos que probablemente no tienen rayos es Plutón. Aunque Plutón tiene capas de neblina atmosférica, explicó Yair, esa neblina está compuesta de hidrocarburos no conductores como los que rodean a Titán, y es demasiado delgada para producir o conducir electricidad.

Los Quizás: Venus y Neptuno

Aunque Neptuno es similar a Urano en muchos aspectos, los rayos podrían no ser uno de ellos. «En 1989, durante el paso [del Voyager 2] sobre Neptuno», dijo Zarka, «registramos datos similares a los registrados en Saturno y Urano. Analizamos los datos de manera similar… El análisis sólo mostró 5 eventos similares a los rayos. Para dar una comparación, en Saturno vimos más o menos 10.000. En Urano, fueron 140».

«No podemos afirmar seriamente que hemos detectado rayos en Neptuno».

«Con cinco [eventos], no podemos decir que fue detectado porque puede ser falso», dijo. «Puede ser una descarga electrostática en la nave espacial. Por lo tanto, no podemos afirmar seriamente que hemos detectado rayos en Neptuno». No hay razón para sospechar que Neptuno no tendría rayos, dijo Zarka. Simplemente podría ser más esporádico que en Urano debido a una composición atmosférica ligeramente diferente y a la convección vertical.

Neptuno, al igual que Urano, probablemente produce rayos debajo de nubes superiores gruesas que bloquearían cualquier destello visible, dijo Aplin. Las mediciones de radio desde la Tierra también están fuera de la discusión. «La energía que estimamos para los rayos de Neptuno es menor, y debido a que está más lejos, eso significa que la señal sería tan débil que no podría ser detectada», dijo. Sin embargo, resolver este rompecabezas probablemente requerirá una misión orbital al gigante de hielo.

Si Venus tiene rayos, «es un poco extraño, y no lo entendemos del todo. No se comporta de la manera que esperamos».

En Venus han habido algunas pruebas de la presencia de rayos, pero el asunto aún está en discusión. «Venus es bastante controvertido», dijo Aplin. «Creo que probablemente la mejor evidencia en este momento [sugiere] que probablemente no hay rayos en Venus. Pero si los hay, es un poco extraño, y no lo entendemos del todo. No se comporta de la manera que esperamos».

En la década de 1970, las misiones soviéticas Venera 11-14 detectaron silbidos y otras emisiones de radio, al igual que el Pioneer Venus Orbiter en 1980, la nave espacial Galileo en 1991 y la misión Venus Express en 2007. Por otro lado, la misión Cassini de la NASA voló por Venus en 1998 y 1999, y el Orbitador Climático Venus de Japón «Akatsuki» ha estado orbitando Venus desde 2015. Ambos estaban equipados con un instrumento diseñado para detectar rayos, y ninguna de las dos naves encontró ninguno.

Tal vez los rayos de Venus son infrecuentes y localizados, dijo Zarka, o tal vez la atmósfera de Venus simplemente no puede crear rayos en absoluto. «En Venus, hay una superrotación horizontal muy fuerte de la atmósfera», dijo. «Eso podría evitar la convección vertical».

Además, en las nubes de Venus no hay tormentas eléctricas como en la Tierra, Júpiter y Saturno, dijo Aplin. «En Venus, no es así en absoluto. No se conoce ningún mecanismo por el cual se puedan generar los rayos. Eso no quiere decir que no esté allí, sino que es diferente a la interpretación más simple».

¿Qué datos resolverían este debate? «Lo ideal sería una detección por radio y una detección óptica al mismo tiempo», dijo Aplin, «porque la gente puede discutir sobre una u otra, pero si tienes ambas al mismo tiempo, entonces no es realmente controversial». 

Lorenz estuvo de acuerdo y agregó que «si las emisiones de radio características de los rayos se pueden asociar repetidamente con [un] mecanismo de formación específico— por ejemplo, la ubicación geográfica de un volcán conocido— o con condiciones atmosféricas específicas identificadas por otros medios como corrientes ascendentes o frentes de nubes, entonces eso sería una indicación convincente de un fenómeno parecido a un rayo».

Los ¿Por Qué No?: Marte, Io y Exoplanetas

Y luego están los mundos donde no hemos detectado evidencia convincente de rayos, pero no tenemos razones para pensar que los rayos no podrían existir allí.

En 2007, la nave espacial New Horizons tomó esta secuencia de imágenes del volcán Tvashtar de Io en erupción. La pluma de escombros volcánicos se extiende 330 kilómetros sobre la superficie de la luna. Esta secuencia también capturó dos columnas volcánicas más pequeñas: de Masubi en la parte inferior izquierda y de Zal justo a la izquierda de la columna principal. Crédito: NASA / Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins / Southwest Research Institute

La atmósfera de Marte generalmente se considera demasiado delgada y seca para crear tormentas eléctricas. Pero fenómenos más frecuentes como los remolinos de polvo y las tormentas de polvo podrían crear algo parecido a electricidad estática a gran escala. Al igual que los rayos volcánicos, las partículas de polvo que colisionan entre sí producen cargas y luego la tormenta o el vórtice podrían separar las cargas como una celda convectiva, explicó Zarka. Este tipo de carga estática también podría crear rayos en Io, la luna de Júpiter, que regularmente arroja desechos volcánicos al espacio, según Yair.

A lo que se reduce todo esto es que si hay una manera de crear un rayo, probablemente haya algún lugar en el sistema solar donde esto ocurra. Y eso también es válido para mundos más allá del sistema solar.

«Es solo física atmosférica estándar», dijo Zarka. «Los rayos son bastante comunes. Realmente no hay razón para no tener rayos en los exoplanetas».

No es probable que los astrónomos puedan detectar exo-rayos en el corto plazo, dijo Zarka. «La respuesta es no, absolutamente no», dijo. Las señales de radio típicas de los rayos son mucho más débiles que el ruido de fondo de una magnetosfera planetaria. Para ser visto desde tan lejos, los rayos tendrían que ser miles de millones o billones de veces más fuertes que los rayos terrestres. Eso no es realista, explicó Zarka.

¿Para Qué Sirve un Rayo?

Los rayos—ya sean atmosféricos, volcánicos o de otro tipo—pueden ser una herramienta poderosa para comprender las complejidades de mundos distantes, especialmente en planetas donde no hemos explorado in situ o no podemos hacerlo.

La rapidez, la duración y las frecuencias de los pulsos de radio, así como la duración del relámpago, pueden distinguir la fuente de los rayos. La distribución espacial puede decir a los científicos si los rayos están asociados con nubes de tormenta, huracanes o una característica geográfica específica como un volcán. La forma en que los rayos varían con el tiempo también puede revelar patrones climáticos diarios o estacionales.

Además, «las personas están tan seguras de que los rayos son por convección que, si ven rayos, saben que es convección», dijo Aplin. Y los rayos pueden provocar reacciones químicas únicas  que de otra manera no ocurrirían, algunas de las cuales podrían ser importantes para el desarrollo de la vida.

«Los rayos no sólo son hermosos, sino que también son realmente valiosos».

Pero de vuelta en la Tierra, los rayos han ido ganando terreno como una forma de detectar erupciones de volcanes remotos y evaluar sus peligros para la aviación, la navegación, la agricultura y las personas. «Los rayos se están volviendo muy útiles para que los científicos rastreen nubes de cenizas volcánicas», dijo Van Eaton. «Y queremos hacer mejores y mejores instrumentos y mejorar nuestra comprensión científica para que los rayos no sólo sean hermosos, sino que también sean realmente valiosos para mantener a las personas fuera de peligro».

–Kimberly M. S. Cartier (@AstroKimCartier)

Cita: Cartier, K. M. S. (2020), Planetary lightning: Same physics, distant worlds, Eos, 101,https://doi.org/10.1029/2020EO142803. Published on 24 April 2020.

Texto © 2020. AGU. CC BY-NC-ND 3.0 Imagen de portada: Volcán Sakurajima, Kagoshima, Japón por Marc Szeglat desde Unsplash