El misterio de las centellas (1493)

Science News On Line

Semana del 9 de febrero de 2002; vol. 161, núm. 6

Anatomía de una centella

Una maravilla aérea, meditada durante siglos, ya no parece tan fantasmal

Peter Weiss

No mucha gente llega a ver una centella, pero quienes lo ven nunca lo olvidan. Imagínese que de repente se materializa un orbe brillante frente a usted, posiblemente chisporroteando o exudando una niebla azulada y un olor acre. El globo puede ser más grande que una pelota de playa y volar por el aire, tal vez flotando ocasionalmente como si estuviera considerando su próximo movimiento. La pelota también puede rodar o rebotar por el suelo, trepar postes de electricidad y deslizarse a lo largo de cables de electricidad. A medida que viaja, la esfera ardiente puede destruir equipos eléctricos, provocar incendios e incluso chamuscar animales o personas.

EL RESPLANDOR. Un guardabosques de Australia captó en video un objeto extraordinariamente grande (unos 100 metros de diámetro), que se presume que es una centella. Duró sorprendentemente mucho tiempo, unos 5 minutos. Abrahamson

Después de unos diez segundos, la aparición suele desaparecer de repente. Algunas bolas salen disparadas en silencio, como una lámpara que se apaga. Otras estallan con fuertes explosiones y serpentinas de fuego.

A pesar de medio milenio de informes anecdóticos y dos siglos de investigaciones científicas, nadie puede decir con certeza qué es una centella. Sin embargo, recientemente un pequeño grupo de investigadores ha desarrollado teorías y publicado resultados experimentales que parecen explicar algunas características de las centellas que los modelos anteriores no podían explicar.

La mayoría de los testimonios de testigos oculares apuntan a un rayo común como desencadenante, pero también se han implicado otras descargas eléctricas. Lo que sucede a continuación depende del teórico.

Estos investigadores coinciden en que en las bolas hay un aerosol, una suspensión de partículas finas en el aire, que reacciona químicamente e interactúa electromagnéticamente. Sin embargo, algunos de los teóricos imaginan una red radiante de filamentos, una “bola de fuego”, como la describió un científico. Otro sostiene que el aerosol es una niebla ácida y que encierra un núcleo gaseoso y caliente de sustancias químicas reactivas. En todos los modelos, la acción del aerosol es fundamental para explicar la letanía de relatos de testigos oculares, a menudo asombrosos.

Alternativa a los plasmas

Los avistamientos documentados de centellas se remontan a la Edad Media. Un banco de datos ruso incluye unos 10,000 informes de las últimas décadas. En los últimos años, como la ciencia no ha logrado descifrar el fenómeno, han abundado las explicaciones pseudocientíficas, entre ellas las aniquilaciones de materia y antimateria, los cúmulos de la exótica materia oscura del universo y los estallidos espontáneos de fusión nuclear.

Las centellas tienen “mucho seguimiento entre los chiflados y entre los científicos porque es uno de los grandes misterios inexplicados”, dice Martin A. Uman, de la Universidad de Florida en Gainesville, quien ha estudiado los rayos durante unos 30 años.

De las muchas teorías científicas sobre las centellas, la mayoría describe el fenómeno como una especie de plasma, o gas caliente de electrones e iones atómicos o moleculares con carga positiva. Se trata de una expectativa razonable, ya que se ha informado que las centellas ocurren generalmente junto con tormentas eléctricas, cuyos rayos ordinarios ionizan el aire y crean columnas de plasma a lo largo de su trayectoria.

Sin embargo, los modelos de plasma puro para las centellas están plagados de dificultades. “Ninguno de ellos funciona”, dice con el ceño fruncido Graham K. Hubler, físico y científico de materiales del Laboratorio de Investigación Naval (NRL) en Washington, DC. Vio una centella hace 42 años cuando tenía 16 años, y nunca ha olvidado la experiencia. “Estás tan asustado que no te puedes mover”, recuerda del momento en que una bola de color amarillo blanquecino del tamaño de una pelota de tenis apareció de repente frente a él una noche en un parque en el norte del estado de Nueva York.

Un desafío importante para la explicación del plasma sobre las centellas es que el plasma siempre se expande a menos que se tomen grandes esfuerzos para confinarle. Los investigadores de la fusión “construyen enormes [reactores llamados] tokamaks para hacer ese tipo de cosas: contener un plasma durante un segundo” dentro de un campo magnético para experimentos de fusión nuclear, señala Hubler (SN: 18/3/00, p. 191).

“El plasma caliente en el aire tiene dos tendencias: desaparecer y ascender”, dice el químico físico David J. Turner, de Condensation Physics en Huntingtown, Maryland, un investigador de servicios eléctricos jubilado que se interesó en las centellas mientras estudiaba el comportamiento de los iones en el vapor. Las partículas con carga opuesta que forman el plasma tienden a recombinarse rápidamente, aniquilándolo rápidamente. Además, la flotabilidad del plasma caliente en el aire, que haría que una centella se elevara, no concuerda con el hecho de que las centellas se mantengan suspendidas, rueden y vuelen horizontalmente, añade Turner.

Turner y otros sostienen que una forma de salir del enigma es añadir características de un aerosol a una teoría del plasma de las centellas. El material adicional de un aerosol puede formar una estructura, albergar reacciones químicas duraderas, almacenar cargas eléctricas y, de otro modo, explicar las propiedades observadas en las centellas.

Turner afirma: “No creo que se puedan explicar todas las propiedades [de las centellas] sin aceptar que se trata de un fenómeno relacionado con los aerosoles”.

Secreto sucio

La idea de que los aerosoles pueden ser parte de las centellas se remonta al menos a la década de 1970, pero actualmente está ganando una atención sin precedentes.

¿BOLA DE NANOCORTE? Una imagen de microscopio electrónico de un residuo de suelo vaporizado en un filtro muestra filamentos de partículas a escala nanométrica, como las propuestas en una teoría de centellas. Abrahamson

Algunas de las teorías no incluyen un plasma después del impacto del rayo original. Hace dos años, los ingenieros químicos propusieron un mecanismo específico y plausible por el cual un rayo sobre el suelo podría producir un rayo en forma de bola de tipo aerosol. John Abrahamson, de la Universidad de Canterbury en Christchurch, Nueva Zelanda, y James Dinniss, que ahora está en la empresa de productos químicos domésticos Lever Rexona en Petone, Nueva Zelanda, describieron su hipótesis en Nature e informaron sobre experimentos que parecían respaldarla.

Hubler dijo en un comentario que acompaña al informe que el modelo es el primero que “puede explicar la mayoría de los aspectos de las centellas”.

Además de dar un impulso a las interpretaciones de las centellas a partir de aerosoles, los hallazgos impulsaron a personas de todo el mundo (muchos de ellos científicos o ingenieros) a ponerse en contacto con Abrahamson para contarle relatos de testigos oculares del fenómeno que no habían sido documentados anteriormente. Los hallazgos también dieron lugar a nuevas investigaciones, así como a nuevas colaboraciones entre el puñado de investigadores de las centellas a partir de aerosoles.

En la edición de enero de Philosophical Transactions of the Royal Society London (Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres) aparecen diversos artículos sobre las centellas, incluidas descripciones de las teorías actuales sobre los aerosoles y una recopilación de los nuevos informes de testigos oculares. A. Abrahamson, que fue editor invitado de la edición monográfica, dice que “probablemente duplica el número de observaciones [publicadas]… por personas con formación científica”.

“Podría decirse que Abrahamson y su teoría han revivido el interés por las centellas en general”, afirma Uman. El modelo inventado por Abrahamson, especialista en la reducción del contenido de polvo del aire de las fábricas, y Dinniss, su antiguo alumno, ha sido bautizado por Hubler como el modelo de la bola de pelusa. Los investigadores retomaron una vieja hipótesis según la cual las centellas podrían contener una fina red de partículas metálicas y se basaron en esa idea formulando una secuencia específica de reacciones químicas que podrían desencadenarse por un rayo que impacta en el suelo y generar dichas redes.

En concreto, propusieron que cuando un rayo vaporiza dióxido de silicio (un mineral común en el suelo), las reacciones con compuestos de carbono lo transforman en gotitas de silicio puro a escala nanométrica. Tales reacciones también son la base de la fundición de muchos minerales rocosos para convertirlos en metal.

Una vez formadas, las partículas de silicio reaccionarían con el oxígeno y quedarían recubiertas de una capa aislante. En la atmósfera altamente cargada de una tormenta eléctrica, las nanopartículas recubiertas de óxido captarían cargas eléctricas polarizadas y formarían redes de filamentos poco uniformes, las “bolas de pelusa” de las que habla Hubler.

Al calcular el calor y la luz que generarían esas bolas tenues cargadas de electricidad, el equipo determinó que una bola plausible del tamaño aproximado de una pelota de baloncesto duraría entre 3 y 30 segundos y brillaría como una bombilla de 100 vatios, condiciones que suelen informar quienes han observado centellas. Sin una capa protectora, se esperaría que la oxidación de nanopartículas de metal desnudo se produjera más rápidamente y a temperaturas más altas que las que han descrito las observaciones de centellas típicas. Esa capa de óxido debería evitar que el oxígeno fresco se difunda demasiado rápido al silicio subyacente. Eso ralentiza las reacciones y reduce la producción de energía.

Uman dice que la teoría es prometedora, pero sospecha que tiene lagunas. Él y otros investigadores de rayos han estado a menos de 100 metros de la tierra cientos de veces, señala. Deberían haber visto centellas al menos unas cuantas veces si la teoría de los neozelandeses es correcta, argumenta Uman. Es más, tanto él como Hubler dicen que el modelo del equipo de Nueva Zelanda sobre cómo los filamentos cargados se ensamblan en estructuras con forma de bola es poco convincente.

Abrahamson replica que recientemente se ha obtenido más apoyo para el modelo en otros campos, en particular en experimentos de microgravedad con materiales granulares. De hecho, en la edición de mayo del Journal of Electrostatics, él y el geólogo John Marshall del Instituto SETI en Mountain View, California, presentarán una explicación novedosa (con pruebas experimentales que la respaldan) de cómo las fuerzas eléctricas pueden construir redes de filamentos.

Diferentes trazos

Seis años antes de que Abrahamson y Dinniss publicaran su modelo, Vladimir L. Bychkov, del Instituto de Altas Temperaturas de la Academia Rusa de Ciencias en Moscú, propuso que las centellas consisten en un agregado suelto y poroso de partículas. En su teoría, el calor y la luz provienen principalmente de efectos eléctricos, no de oxidación.

Bychkov presenta la última versión de su teoría junto con una versión actualizada del modelo neozelandés en la edición de Transactions sobre centellas. En la teoría de Bychkov, los rayos pueden transformar muchos materiales orgánicos del medio ambiente (no sólo residuos metálicos del suelo) en filamentos de polímeros suspendidos en el aire. Una vez que eso sucede, supone, los filamentos podrían enredarse formando una bola esponjosa. Mientras los materiales de los enredos sean aislantes eléctricos, o dieléctricos, una bola de este tipo puede mantener cargas eléctricas en su lugar y permitir enormes acumulaciones de energía en la superficie de la bola, sostiene Bychkov. La energía se almacena en parches bien separados (un mosaico) de cargas positivas y negativas, dice.

Una vez que se forma una bola, podría producir calor y luz cuando los altos voltajes comiencen a descomponer los gases cerca de la superficie. Ese proceso podría crear las coronas anaranjadas o azules que algunos observadores han presenciado. La enorme acumulación de carga también podría forzar corrientes eléctricas intermitentes a través de algunos de los hilos de la propia bola, haciéndolos brillar como filamentos de bombillas.

La teoría de Turner, también actualizada en Transactions, sostiene que la centella contiene un plasma caliente como su principal fuente de energía y que la esfera mantiene su forma sin ninguna red de filamentos interconectados. En cambio, los iones cargados eléctricamente del plasma se desplazan hacia afuera y se enfrían, recogiendo moléculas de agua en el camino. Esta hidratación de los iones los transforma en gotitas de humedad ácida: partículas de aerosol. En última instancia, una capa cargada eléctricamente de esas gotitas encierra el plasma, al mismo tiempo que absorbe iones de él y hace que la presión interna del plasma dentro de la capa disminuya. La presión interna resultante del aire mantiene la forma de la bola.

Tanto Bychkov como Turner afirman que sus teorías pueden explicar el pequeño pero significativo número de informes sobre las llamadas centellas de alta energía. En esos informes, los orbes de fuego caen en líquidos y los evaporan o queman vidrio, metal, árboles o incluso personas.

Como se propuso por primera vez hace dos años, el modelo del equipo de Nueva Zelanda no podía dar cabida a las bolas de mayor energía. Pero ahora, Abrahamson sostiene que su modelo puede explicar las bolas de alta energía en ciertas condiciones inusuales, como cuando cae un rayo o una potente descarga eléctrica sobre una caja de fusibles u otro objeto metálico confinado. Las bolas resultantes serían más ricas en combustible metálico que las producidas por un impacto en el suelo y, por lo tanto, arderían a mayor temperatura.

Abrahamson señala un precedente de esto. Los científicos militares estadounidenses han ideado, como posibles señuelos de misiles para aviones de guerra, bolas de aerogel (SN: 14/12/96, p. 383) —una sustancia extremadamente porosa y ligera— cuyas superficies interior y exterior están recubiertas de una fina película de hierro. Normalmente envasadas en gas inerte, las bolas se oxidan espontáneamente cuando tocan el aire, emitiendo radiación infrarroja que engaña a los misiles. Celia I. Merzbacher, del NRL, una de las inventoras de las bolas, las describe en el número de Transactions. (Para ver clips de video relacionados, véase http://www.sciencenews.org/20020209/balllightning.asp)

Ver para creer

“Si queremos entender las centellas, necesitamos poder producirlos y controlarlos en el laboratorio”, afirma Turner en su informe Transactions.

“Esta es la prueba de fuego de cualquier teoría”, coincide Abrahamson.

Como punto de partida para comprobar las teorías de los aerosoles, los científicos señalan que desde hace tiempo se sabe que los rayos crean tubos huecos con paredes de vidrio justo debajo de la superficie del suelo. Los tubos, conocidos como fulguritas (SN: 20/3/93, pág. 184), se forman cuando las descargas de los rayos derriten y vaporizan el suelo a su paso. Durante al menos 30 años, los investigadores han sospechado que los materiales de dichas cavidades podrían desempeñar un papel en las centellas.

COSA CALIENTE. En un experimento ruso, una bola de fuego flotante del tamaño de una pelota de béisbol se fusiona a partir de vapores de cera y resina que se desintegraron mediante una descarga eléctrica. La bola sobrevivió durante casi medio segundo. Bychkov

En experimentos soviéticos publicados en 1977, los investigadores de laboratorio utilizaron hasta 12,000 voltios para vaporizar las paredes internas de tubos de hielo o plástico que servían como modelos de fulguritas. Una vez que se generó suficiente presión en el tubo para romper un diafragma de plástico delgado, salieron volando bolas brillantes de hasta 400 mm de diámetro. Aunque tenían un tamaño similar al de las centellas naturales, los especímenes eran demasiado brillantes y duraban solo unos pocos milisegundos, informaron los científicos.

Experimentos posteriores de Bychkov y sus colegas también han producido bolas de fuego. Por ejemplo, descargas eléctricas vaporizaban material de las paredes de tubos de cera o plástico. Cuando ese plasma chocaba con un metal, aparecían pequeñas bolas de un brillo amarillo o rojo amarillento, pero ninguna de ellas duraba más de una fracción de segundo.

En lugar de utilizar plástico y otros sustitutos del suelo, Abrahamson y Dinniss probaron su hipótesis con tierra real. La colocaron en platos poco profundos y conductores de electricidad y la sometieron a una descarga de hasta 20,000 voltios. Tal como habían predicho, se formaron cadenas de partículas a escala nanométrica. Para encontrarlas, los científicos bombearon el aire sobre los lechos de tierra a través de filtros justo cuando se producía la descarga eléctrica. Utilizando un microscopio electrónico, los investigadores detectaron cadenas con forma de filamento atrapadas en los filtros.

En experimentos más recientes descritos en la edición de Transactions, Abrahamson y sus colegas llevaron a cabo descargas en capas de suelo más profundas y estrechas. Las capas estaban aisladas en la parte superior para que se pudiera formar una cavidad similar a la de la fulgurita cuando el suelo se vaporizara. Aunque ninguna de las 24 pruebas produjo bolas luminosas, dos de las descargas generaron bocanadas de material de corta duración con forma de rosquilla, como anillos de humo incandescentes. Esos bucles brillantes pueden ser precursores de la formación de centellas, conjetura Abrahamson.

Ni él ni Turner han tenido el privilegio de ver centellas. “Tengo muchas ganas de verlas”, confiesa Turner.

Abrahamson añade: “No estaré satisfecho hasta que tengamos todas las condiciones adecuadas para lograr una centella del tamaño de un balón de fútbol en el laboratorio”. Con suerte, ellos o algún otro científico afortunado podrían transformar pronto la centella de una aparición rara en un conocido cotidiano.

Referencias:

Fiery blasts: QuickTime video clips.

Abrahamson, J. 2002. Ball lightning from atmospheric discharges via metal nanosphere oxidation: From soils, wood or metals. Philosophical Transactions of the Royal Society A 360(Jan. 15):61-88.

______. 2002. Chemical models of ball lightning from atmospheric electricity. Available at http://www.pubs.royalsoc.ac.uk/phil_maths/news/balllight.html.

______. 2002. Preface. Philosophical Transactions of the Royal Society A 360(Jan. 15):3.

Abrahamson, J., A.V. Bychkov, and V.K. Bychkov. 2002. Recently reported sightings of ball lightning: Observations collected by correspondence and Russian and Ukranian sightings. Philosophical Transactions of the Royal Society A 360(Jan. 15):11-35.

Abrahamson, J., and J. Marshall. In press. Permanent electric dipoles on gas-suspended particles and the production of filamentary aggregates. Journal of Electrostatics.

Abrahamson, J., and J. Dinniss. 2000. Ball lightning caused by oxidation of nanoparticle networks from normal lightning strikes on soil. Nature 403(Feb. 3):519.

Bychkov, V.L. 2002. Polymer-composite ball lightning. Philosophical Transactions of the Royal Society A 360(Jan. 15):37.

Bychkov, A.V., V.L. Bychkov, and J. Abrahamson. 2002. On the energy characteristics of ball lightning. Philosophical Transactions of the Royal Society A 360(Jan. 15):97-106.

Hubler, G.K. 2000. Fluff balls of fire. Nature 403(Feb. 3):487-488.

Merzbacher, C.I. 2002. Materials that emit light by chemical reaction. Philosophical Transactions of the Royal Society A 360(Jan. 15):89-96.

Singer, S. 2002. Ball lightning—the scientific effort. Philosophical Transactions of the Royal Society A 360(Jan. 15):5-9.

Turner, D.J. 2002. The fragmented science of ball lightning (with comment). Philosophical Transactions of the Royal Society A 360(Jan. 15):107-152.

Lecturas adicionales:

Weiss, P. 2000. Neon gives healthy glow to reactor. Science News 157(March 18):191.

Wu, C. 1996. Aerogel films as electronic insulators. Science News 150(Dec. 14):383.

______. 1993. In the wild, a bolt of “bucky” luck. Science News 143(March 20):84.

Fuentes:

John Abrahamson

Departamento de Ingeniería Química y de Procesos

Universidad de Canterbury

Private Bag 4800

Christchurch

Nueva Zelanda

Vladimir L. Bychkov

Instituto de Altas Temperaturas

Academia Rusa de Ciencias

Izhorskaya 13/19

Moscú 127412

Rusia

James Dinniss

Ingeniero de procesos

Lever Rexona

Private Bag 1

Petone

Nueva Zelanda

Graham K. Hubler

Laboratorio de investigación naval

Código 6370

4555 Overlook Avenue, SW

Washington, DC 20375

John Marshall

Instituto SETI

Centro de Investigación Ames de la NASA

Moffett Field, CA 94035-1000

Celia I. Metzbacher

Laboratorio de Investigación Naval

Código 1004

4555 Overlook Avenue, SW

Washington, DC 20375

Stanley Singer

Athenex Research

381 South Meridith Avenue

Pasadena, CA 91106-3576

David J. Turner

Física de la condensación

3435 Plum Point Road

Huntington, MD 20639

Martin A. Uman

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática

Universidad de Florida

216 Larsen Hall

P.O. Box 116200

Gainesville, FL 32611-6200

De Science News, vol. 161, núm. 6, 9 de febrero de 2002, pág. 87.

https://web.archive.org/web/20020212163711/http://www.sciencenews.org/20020209/bob8.asp