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'Sprites' un asombroso fenómeno de luz

Todos conocen como lucen los rayos en una tormenta, pero pocos saben de la existencia de los 'sprites' en un cielo tormentoso. Descubrímos cómo se forma este tipo de descarga eléctrica que algunos llegan a percibir, y sólo los más afortunados logran fotografiar.

Sprite, cielo rojo
Fotografía de un sprite tipo "medusa", tomada por Paul M. Smith en 2018 sobre Kaw Lake.

Cuando se desarrolla una fuerte tormenta suelen activarse alertas meteorológicas por el avance de lluvia, viento, granizo y una poderosa actividad eléctrica; todo eso ya lo conocemos y lo esperamos debajo de las nubes de porque llegan hasta la superficie; pero por encima de estas nubes imponentes también pasan cosas, ocurren distintos fenómenos luminosos y nos maravillamos al descubrirlos.

El sprite es un fenómeno asociado a las tormentas cuando la actividad eléctrica es muy intensa, algunas veces en el tope de la nube cumulonimbus se genera una descarga hacia arriba, alcanzando incluso hasta la parte baja de la ionósfera. Estos también son llamados espectros rojos, se producen casi simultáneamente al rayo que los desencadena, o con un pequeño retraso de hasta 150 milisegundos. En noches con visibilidad clara sobre poderosas tormentas distantes, es posible ver y capturarlos con fotos.

Los 'sprites' pertenecen a un grupo bastante misterioso y colorido de fenómenos naturales llamados Eventos Luminosos Transitorios (por sus siglas en inglés, TLE), que ocurren en la mesósfera.
tipos de TLEs
TLEs descubiertos hasta el momento. Algunos de sus nombres fueron tomados de “El sueño de una noche de verano” (Shakespeare), por su naturaleza entre misteriosa y espiritual. Imagen: F. Lucena

Informes visuales de los espectros rojos se remontan al siglo XVIII, pero la ciencia se tomó unos siglos más para describirlos por primera vez, cuando fueron capturados accidentalmente por la cámara en 1989. Años más tarde, en 1994, la Universidad de Alaska logró desde una nave de la NASA tomar la primera imagen en colores de un 'sprite', con su color rojo característico.

¿Cómo se forman?

En una tormenta, un rayo puede cambiar abruptamente un campo eléctrico que dispara un flash secundario en una especie de efecto dominó; los sprites también son iniciados por un gran cambio en el campo eléctrico que ocurre durante un rayo.

Habitualmente los rayos emergen de la región inferior de la nube y muestran polaridad negativa, pero en algunas ocasiones surgen rayos con polaridad positiva, que son mucho más potentes y peligrosos. Estos flashes principales transfieren grandes cantidades de carga, y son casi siempre positivos en polaridad, lo que significa que la tierra gana rápidamente una carga neta positiva.

Mientras que los grupos de carga positiva cerca de la parte superior de los complejos de tormentas eléctricas también cambian, ganando abruptamente carga negativa. Esto crea de pronto un poderoso campo eléctrico entre la parte superior de las tormentas eléctricas, y una alta concentración de iones cargados positivamente a unos 100 km en la parte inferior de la ionosfera. Es este nuevo desequilibrio es el que puede iniciar un sprite.

Así lucen los "sprites"

Paul Smith, es uno de los fotógrafos más exitoso del mundo en capturar TLEs, estas imágenes permiten a los científicos comprender y analizar mejor a estos fenómenos de luz. Los 'sprites' son eventos luminosos que duran centésimas de segundo, la parte inferior del fuerte destello de luz de color rojo está formado por una especie de filamentos o tentáculos de aire ionizado (de entre 10 a 100 metros de grosor), la parte superior de un 'sprite' es difusa y puede llegar desde los 40 hasta casi los 100 km de altura.

Los 'sprites' a menudo se denominan incorrectamente rayos atmosféricos superiores, mientras las temperaturas de los rayos son muy elevadas, estos se consideran un fenómeno de plasma frío. La física que hace que se iluminen brevemente, es muy parecida al proceso que causa las auroras. Cuando las partículas cargadas de alta energía chocan a velocidad con un átomo, esa energía se transfiere causando que los átomos se exciten. A medida que se calman, pueden liberar algo de esa energía de vuelta a la atmósfera en forma de luz.

Sprite y auroras boreales
Esquema de la diferencia de altitud entre sprites y auroras. Capturas del video explicativo realizado por @PecosHank y @PaulMSmithPhoto

Cada elemento tiene un espectro de emisión único que actúa como huella digital, o sea que podemos identificar que elemento está haciendo excitado con el color de sus emisiones de luz. En el caso de las auroras ocurren a una altura alrededor de 100 a 500 km, donde penetran en nuestra atmósfera las partículas del Sol de alta energía. Esa altura la atmósfera es principalmente oxígeno molecular y resultan varios colores.

sprites
La excitación del nitrógeno en el aire, a una altura cercana a los 100 km, es el responsable de que los sprites se vean de color rojo.

En el caso de los 'sprites' la energía no proviene del viento solar, sino que es generada por el poderoso campo eléctrico entre la tormenta y la atmósfera superior. Estos fenómenos ocurren a una altura mucho menor que las auroras, y a esas altitudes la atmósfera es principalmente nitrógeno. La excitación del nitrógeno emite luces azules y rojas, a la presión atmosférica que ocurren los sprites el nitrógeno excita el color rojo, pero a medida que la presión aumenta (cuanto más te acercas a la tierra), el nitrógeno excita a los colores más azules.

El arte de “cazar sprites”

Debido a su rápida formación no se puede seguir con los ojos, pero su estructura vertical y el color rojo pueden ser percibidos. Son de difícil captura porque tienen una duración aproximada de sólo 20 milisegundos, y ocurren a una altura muy elevada. Como ya dijimos los primeros sprites fueron fotografiados por las cámaras a bordo del transbordador espacial, pero hoy en día los "cazadores de sprites" fotografían periódicamente a estos sistemas desde la Tierra, sin necesidad de estar en una nave.

Sprites
Esta imagen de investigadores de la Universidad de Alaska-Fairbanks fue la primera fotografía a color de un sprite rojo.

Las imágenes del radar local pueden ayudar a comprobar el pronóstico de tormentas, con fuerte actividad eléctrica y a menos de dos kilómetros de su ubicación; es imprescindible un cielo claro por encima de las nubes de las tormentas distantes. Luego apuntan sus cámaras de alta resolución (capaces de fotografiar 10 mil fotogramas por segundo), hacia la dirección de las tormentas. Algunos utilizan un modificado DLST de infrarrojos, pero cualquier cámara réflex digital de alta resolución podría capturarlos.

Algunos fotógrafos suelen disparar de 2 a 4 segundos de exposiciones continuas. Se requiere mucha paciencia, perseverancia, y también algo de suerte para poder lograr tomarles una foto. Lanzamos el desafío, ¿quién lo logrará?