El misterio de las centellas (1229)
Primer espectro de centella
17 de enero de 2014
Los investigadores midieron un espectro de luz emitida por las raras y esquivas centellas.
J. Cen, P. Yuan y S. Xue, Phys. Rev. Lett. (2014)
Golpe de suerte. El espectro de un rayo de nube a tierra y de la centella que generó. La centella es el punto blanco en el extremo izquierdo, y su espectro es la banda de colores ligeramente más brillante al pie de la forma irregular … Show more
Las centellas han sido uno de los fenómenos naturales más misteriosos durante siglos, en parte porque son muy raras y transitorias y, por lo tanto, difícil de investigar. Pero una observación fortuita durante los experimentos de campo en China para estudiar los rayos ordinarios, informada en Physical Review Letters, ahora ha proporcionado lo que parece ser la primera medición del espectro de emisión de las centellas. Los datos sugieren que la bola brillante estaba compuesta de elementos del suelo, de acuerdo con una teoría popular.
La centella generalmente aparece durante las tormentas eléctricas como un resplandor, que varía desde el tamaño de una pelota de golf hasta varios metros de ancho, que flota en el aire entre un segundo y decenas de segundos. Hay muchos informes históricos de tales «bolas de fuego» que hieren o incluso matan personas e incendian edificios, y a veces se les han dado explicaciones sobrenaturales.
Abundan las teorías científicas sobre las centellas, con diversos grados de plausibilidad. Las bolas de plasma resplandeciente se han creado artificialmente al pasar microondas intensas a través del aire[1] o mediante descargas eléctricas subacuáticas[2]. Pero tales experimentos de laboratorio pueden no tener ninguna relación con la formación de centellas en el entorno natural, de lo que se sabe muy poco, ya que casi no se han recibido datos sólidos.
J. Cen, P. Yuan y S. Xue, Phys. Rev. Lett. (2014)
1.31.3 segundos de video en tiempo real se desaceleró para mostrar la evolución del rayo en forma, color y brillo y su espectro asociado.
Una teoría popular es que las centellas son causadas cuando los rayos que caen al suelo vaporizan algunos de los minerales de silicato en el suelo. El carbono en el suelo elimina los silicatos de oxígeno a través de reacciones químicas, creando un gas de átomos de silicio enérgicos. Estos luego se recombinan para formar nanopartículas o filamentos que, mientras todavía flotan en el aire, reaccionan con el oxígeno, liberando calor y emitiendo el brillo[3]. Si es así, uno debería esperar ver líneas de emisión atómica de silicio y otros elementos del suelo en el espectro.
Eso es lo que ahora reportan Ping Yuan y compañeros de trabajo de la Universidad Normal del Noroeste en Lanzhou, China. Habían instalado espectrómetros en la remota Meseta Qinghai del noroeste de China para investigar los rayos normales, que son frecuentes en esta región. Durante una tormenta eléctrica en la noche de julio de 2012, vieron que aparecían centellas justo después de un rayo a unos 900 metros de su aparato y pudieron grabar un espectro y videos de alta velocidad de la bola.
El brillo registrado era de unos 55 metros de diámetro (el tamaño real de la pelota era mucho más pequeño) y cambió de blanco a rojizo durante el segundo más o menos que duró. Aunque la oscuridad impidió a los investigadores estimar la altitud de la pelota, la vieron desplazarse horizontalmente durante unos 1010 metros y ascender unos 33 metros. Yuan dice que esta es la primera vez que se ve una centella creada por un rayo de nube a tierra.
Los investigadores encontraron que el espectro contenía varias líneas de emisión de silicio, hierro y calcio, todos los elementos que se espera que sean abundantes en el suelo. Uno también esperaría que el aluminio esté presente, dada su abundancia en minerales del suelo. Pero los investigadores no pudieron confirmar eso, ya que no hay líneas de emisión de átomos de aluminio neutros dentro del rango espectral de su instrumento (longitudes de onda de 400″“1000 nanómetros). El equipo también usó sus datos de video para trazar la intensidad y el diámetro aparente de la centella a medida que variaban en el tiempo, hasta la escala de tiempo de milisegundos.
«Creo que esta es una observación única que probablemente sea de centellas, o un tipo de rayos de bolas», dice el especialista en rayos Martin Uman de la Universidad de Florida en Gainesville. «Ha habido muchos programas de investigación que rutinariamente filman o fotografían rayos naturales y desencadenados», dice, «pero ninguno, hasta donde yo sé, ha tropezado con una centella».
«Este ciertamente parece estar hecho de tierra», dice Uman, pero dice que los datos no revelan ninguna pista sobre qué teoría correcta de la centella es correcta. Dichas observaciones podrían sugerir en última instancia cómo crear una centella artificialmente, dice Uman, y Yuan está de acuerdo. «Estamos planeando simular las condiciones de observación y reproducirlas en el laboratorio», dice Yuan.
«“Philip Ball
Philip Ball es escritor independiente de ciencias en Londres; su último libro es Beyond Weird, una encuesta sobre mecánica cuántica (University of Chicago Press, 2018).
https://physics.aps.org/articles/v7/5
[1] Y. H. Ohtsuki and H. Ofuruton, «Plasma Fireballs Formed by Microwave Interference in Air,» Nature 350, 139 (1991)
[2] Y. Sakawa, K. Sugiyama, T. Tanabe, and R. More, «Fireball Generation in a Water Discharge,» J. Plasma Fusion Res. 1, 039 (2006)
[3] J. Abrahamson and J. Dinniss, «Ball Lightning Caused by Oxidation of Nanoparticle Networks from Normal Lightning Strikes on Soil,» Nature 403, 519 (2000)