El misterio de las centellas (1549)

¿Qué es un rayo globular, realidad o mito?

El misterioso fenómeno se ha reportado durante siglos. ¿Están los científicos más cerca de descubrirlo?

15 de abril de 2024

Por Fionna Samuels

Una versión de esta historia apareció en el Volumen 102, Número 12

Ilustración RJN68M que muestra la trayectoria de una centella observada en el Hotel Georges du Loup, cerca de Niza, por el ingeniero Louis Otto y tres amigos. De repente una bola de fuego de unos 20 cm de diámetro apareció por la ventana de la habitación en la que estaban sentados. 1902. El ingeniero Louis Otto y tres amigos observaron un rayo globular entrando por una ventana del Hotel Georges du Loup, cerca de Niza, Francia, en 1901. Crédito: Archivo de Historia Mundial/Alamy

Un relámpago. Un estruendo ensordecedor. Y luego, una luz curiosa flotando en el aire, iluminando la habitación oscura y rebotando en las superficies. «Estaba tan aterrorizada que me escondí bajo la manta», dice Millie Drozda, mi abuela, «como si eso fuera a servir de algo». Fue hace unos treinta años, y ella se encontraba a más de veinte pisos de altura en su apartamento de Chicago cuando presenció un fenómeno profundamente misterioso, pero bien documentado: la centella.

La gente ha estado intercambiando historias sobre centellas durante cientos de años. Un manuscrito iluminado escrito por un monje inglés en 1195 podría ser el informe más antiguo. Describe una especie de globo ígneo que descendía de una nube de tormenta y caía en el río Támesis (Weather 2022, DOI: 10.1002/wea.4144). Casi 600 años después, el científico Georg Richmann murió dentro de su laboratorio de San Petersburgo por un globo de fuego azul y blanquecino que le golpeó la cabeza mientras demostraba un experimento de detección de rayos a un grabador de la Academia Imperial de Ciencias y Artes de San Petersburgo.

En años más recientes, pilotos que vuelan tanto en condiciones climáticas despejadas como tormentosas han informado haber visto bolas de luz parpadeantes aparecer en la cabina y luego serpentear por el interior del avión (J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2021, DOI: 10.1016/j.jastp.2021.105758). Una búsqueda rápida en la web encontrará personas en todos los rincones de Internet contando sus propias historias de centellas

“Hay un núcleo consistente de información que reportan personas de todo el mundo”, dice Karl Stephan  profesor de ingeniería de la Universidad Estatal de Texas, quien ha estado investigando las centellas durante décadas. La mayoría de las veces, la gente ve centellas cuando una tormenta azota cerca, aunque Stephan dice que rara vez se ven formarse. En cambio, la gente simplemente nota una extraña luz blanca, amarilla, roja o azul, aproximadamente esférica, que se desliza hacia su visión. Desde allí, puede desaparecer de la vista, parpadear o explotar. “Lo fundamental es que dura más de un segundo”, dice Stephan, “y no está claro de dónde proviene la energía para producir la iluminación”.

Estas cualidades hacen de la centella un enigma para los científicos, uno que algunos están ansiosos por resolver.

“Si la centella fuera fácil de producir, ya lo habríamos hecho”.

Martin Uman, profesor emérito distinguido, Universidad de Florida

“Si la centella fuera fácil de producir, ya lo habríamos hecho”, dice Martin Uman, profesor emérito distinguido de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Florida. Uman dirigió el Centro Internacional de Investigación y Pruebas de Rayos de la Universidad de Florida desde 1994 hasta el cierre de sus instalaciones para la generación de rayos en 2022. Cuando el centro estaba activo, él y sus colegas lanzaban cohetes con largos cables hacia las nubes de tormenta. Si las condiciones eran las adecuadas, los científicos podían provocar un rayo y estudiar sus propiedades

“Los observadores suelen ver centellas justo después de que cae un rayo”, dice Uman, por lo que algunos científicos teorizan que el fenómeno se crea por el material que impacta el rayo. La pregunta que el equipo de Uman pretendía responder era: ¿Qué sustancia genera las centellas?

Cuando Uman recibió financiación de la Fuerza Aérea de EE. UU. específicamente para crear centellas, lo vio como la oportunidad perfecta para impactar una gran cantidad de materiales con rayos provocados. Los miembros de su equipo hicieron un llamado a todos los investigadores de rayos que conocían para que les dieran sugerencias de pruebas. En el transcurso de varios experimentos, el equipo provocó ocho rayos que impactaron una torre apilada con materiales como obleas y polvo de silicio, un pino recién cortado, un charco de agua y varias láminas de metal. Los investigadores incluso incluyeron guano de murciélago en sus experimentos “sin ninguna razón, excepto que teníamos un poco por ahí”.

Una serie de ocho imágenes muestra dos luces brillantes. La luz superior flota sobre una placa de acero antes de disiparse. La luz inferior flota sobre un pino cortado antes de desvanecerse. Todo alrededor de las luces está oscuro. Martin Uman provocó un rayo que generó dos fenómenos simultáneos similares a centellas. En los primeros 112 ms del fenómeno, la esfera brillante superior (inicialmente de ~71 cm de ancho) flotó sobre una placa de acero, mientras que la esfera brillante inferior flotó sobre un tocón de pino recién cortado. Crédito: Dustin Hill/Scientific Lightning Solutions; Martin Uman y Doug Jordan/Universidad de Florida

De los aproximadamente 100 materiales que fueron alcanzados por un rayo, solo cuatro respondieron de una manera que parecía una centella. Una llama apareció sobre una piscina infantil llena de agua salada; una lluvia de partículas brillantes surgió de dos obleas de silicio; un brillo suave y persistente se elevó de un tocón de pino montado en agua salada; y un brillo bien definido y persistente flotó a unos centímetros por encima de una lámina húmeda de acero inoxidable (J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2010, DOI: 10.1016/j.jastp.2010.04.009).

De las cuatro observaciones, la esfera que apareció sobre la lámina de metal fue la que más se parecía a una centella, afirma Uman. Aun así, no era del todo correcta. Si bien la esfera se separó completamente de la placa de acero, permaneció suspendida allí solo unos cientos de milisegundos antes de fragmentarse y desaparecer. «Quizás íbamos por buen camino», comenta Uman. «Tal vez, con más dinero y tiempo, habríamos impactado cien piezas de acero mojado con distintos tipos de rayos, y una de ellas habría generado una centella. ¿Quién sabe?»

El plasma es un estado de la materia en el que los átomos o moléculas se excitan hasta el punto de que se les arrancan algunos electrones. Las colisiones dentro de la mezcla resultante de iones excitados y partículas neutras, y entre el plasma y los gases circundantes, liberan energía en forma de fotones. Esta emisión da a los plasmas su brillo característico, cuyo color depende de las especies químicas presentes.

Cuatro imágenes muestran la generación de un plasma esférico. El fondo es negro con un patrón de puntos en forma de T. La primera imagen muestra el inicio de una chispa simimalr a un rayo, que crece en la segunda imagen y comienza a ser envuelta en lo que parece un gas blanco azulado. La sustancia comienza a parecer una bola con una cola en la tercera imagen y, luego, en la cuarta imagen, la sustancia se forma completamente en una bola con dos luces brillantes en su interior. En un experimento realizado por Ursel Fantz, se generan bolas de plasma descargando una corriente eléctrica justo debajo de una superficie acuosa (arriba a la izquierda y derecha). Cuando se apaga la corriente (abajo a la izquierda), el plasma asciende y forma una bola (abajo a la derecha). Crédito: Instituto Max Planck de Física del Plasma

Para crear una bola de plasma, Fantz realiza un experimento aparentemente inverso al rayo provocado por Uman. En lugar de provocar una descarga eléctrica como un rayo desde arriba de una superficie acuosa, coloca un electrodo sumergido para generar una chispa justo debajo de la superficie del agua. Descarga una corriente de hasta 100 A —“no se recomienda hacerlo en casa”, dice riendo— que se evapora rápidamente y excita una pequeña cantidad de agua salada a un estado de plasma. Cuando se corta la corriente, el plasma asciende desde la superficie del agua y forma una bola (IEEE Trans. Plasma Sci. 2014, DOI: 10.1109/TPS.2014.2310128).

“Se observa un fenómeno que tiene similitudes con lo que se reporta sobre las centellas”, dice Fantz. Específicamente, el tamaño y el color del plasma son similares a los de las centellas. Fantz dice que su grupo utilizó análisis espectroscópico para determinar que el color amarillo que observan con frecuencia proviene del cloruro de sodio en el agua. La luz blanca que observan simultáneamente proviene de radicales generados a partir del agua (J. Phys. D: Appl. Phys. 2020, DOI: 10.1088/1361-6463/abc918). Cambiar el tipo de sal o su concentración cambia el color de la esfera, dice.

Lo que los investigadores no ven es la bola flotando o moviéndose lateralmente como una centella. En cambio, se eleva como cualquier plasma caliente y gira en un bucle a medida que pierde su energía, lo que indica que se forma un vórtice en el centro. Como todos los plasmas, las bolas de plasma de Fantz no pueden atravesar una hoja de papel a menos que haya un agujero por el que pasar, al contrario de los informes de centellas que viajan a través de paredes sólidas.

Crédito: Instituto Max Planck de Física del Plasma

El experimento de Ursel Fantz muestra que el plasma globular generado no puede atravesar una hoja de papel intacta.

La vida útil de las bolas de plasma es lo que realmente fascina a Fantz. Persisten durante aproximadamente medio segundo antes de desaparecer: una existencia mucho más corta que la que se reporta para las centellas, pero órdenes de magnitud más larga que la que se espera para un plasma, dice. Ella y sus estudiantes atribuyen la larga vida útil a las reacciones químicas continuas dentro de las bolas de plasma.

Aunque sus experimentos dan credibilidad a la idea de que se pueden formar bolas de plasma en entornos de laboratorio, Fantz dice que no prueban la existencia de la centella. Un rayo que cae sobre una masa de agua natural es un paralelo natural de su experimento, pero señala que la energía de tal impacto se disiparía por la superficie del agua en lugar de concentrarse en un solo punto. También cuestiona la fiabilidad de la evidencia anecdótica. Para Fantz, necesitará ver un experimento reproducible y explicable antes de aceptar a centella como algo más que el monstruo del lago Ness de los fenómenos de rayos

“Los relatos de testigos oculares son notoriamente inexactos, pero no son totalmente inútiles”, dice Walt Lyons, expresidente de la Sociedad Meteorológica Estadounidense. Señala otro fenómeno meteorológico históricamente descartado: los sprites rojos (Weatherwise 2022, DOI: 10.1080/00431672.2022.2116249). Estas luces etéreas, que parecen rojas por la emisión de nitrógeno, destellan en la mesosfera y la estratosfera sobre las tormentas cuando potentes rayos positivos impactan la Tierra.

“Los relatos de testigos oculares son notoriamente inexactos, pero no son totalmente inútiles.”

Walt Lyons, expresidente de la Sociedad Meteorológica Estadounidense

Durante más de un siglo, la gente reportó avistamientos de chispas sobre tormentas eléctricas, pero los informes no se tomaron en serio. Luego, en 1989, un trío de investigadores que probaban una nueva cámara de video de baja luminosidad capturaron accidentalmente una imagen de luces sobre una tormenta distante. Uno de los científicos contactó a Lyons, quien en ese momento dirigía una red de detección de rayos en la Universidad de Minnesota, para averiguar si podía explicar el fenómeno. Lyons correlacionó la imagen fija del video con una tormenta poderosa y pronto salió a buscar chispas rojas él mismo. En su primera noche, Lyons dice que capturó 250 chispas rojas con la cámara; son sorprendentemente comunes.

Queda por ver si alguna vez se podrá capturar una centella de forma fiable en cámara, pero Stephan, de la Universidad Estatal de Texas, espera que, al recopilar anécdotas, pueda reconstruir el tipo de condiciones necesarias para crear una centella. Con este fin, él y un colega lanzaron un formulario en línea en 2020 para recopilar informes de científicos ciudadanos (J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2022, DOI: 10.1016/j.jastp.2022.105953). «Hemos recibido unos 800», dice. «No digo que todos sean centellas, pero sin duda una buena parte lo son».

Hasta que haya evidencia definitiva de centellas, ya sea recopilada experimentalmente o captada en cámara, Stephan se contenta con ser un creyente escéptico y un aguafiestas en lo que respecta a las teorías y experimentos diseñados para explicar el fenómeno. Recientemente leyó un artículo preliminar en el que los autores plantean la hipótesis de que las centellas podrían ser algún tipo de agujero de gusano. «No le doy mucha credibilidad a esa teoría», dice. «Pero tiene una característica atractiva: que si el otro extremo del agujero de gusano puede ir a donde quiera, bien podría aparecer en la habitación de alguien».

https://cen.acs.org/environment/atmospheric-chemistry/What-is-ball-lightning-reality-or-myth/102/i12