Científicos de Penn State descifran finalmente cómo se forma el rayo dentro de las nubes de tormenta

Durante siglos, los rayos han inspirado asombro y temor mientras iluminan el cielo durante las tormentas. Aunque los científicos comprendían desde hace tiempo cómo viaja un rayo una vez formado, el desencadenante exacto dentro de las nubes de tormenta había permanecido oculto hasta ahora. Una nueva investigación ofrece la explicación más clara hasta la fecha sobre cómo comienza realmente este fenómeno atmosférico.

El estudio fue dirigido por Victor Pasko, profesor de ingeniería eléctrica en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Penn State. Su equipo combinó modelado matemático avanzado con observaciones del mundo real para explicar una potente reacción en cadena dentro de las nubes de tormenta que vincula campos eléctricos fuertes, electrones de alta energía, rayos X y rayos gamma en un solo proceso que inicia los rayos.

"Nuestros hallazgos proporcionan la primera explicación precisa y cuantitativa de cómo se inician los rayos en la naturaleza", afirmó Pasko, según The Brighter Side of News. "Conecta los puntos entre los rayos X, los campos eléctricos y la física de las avalanchas de electrones".

Este trabajo no solo resuelve un enigma científico, sino que remodela la comprensión de las tormentas y la intensa energía oculta en ellas.

**El papel de los campos eléctricos dentro de las nubes de tormenta**

Dentro de una nube de tormenta, la carga eléctrica se acumula a medida que las partículas de hielo, las gotas de agua y el aire se mueven violentamente. Estos movimientos crean campos eléctricos potentes, mucho más fuertes que cualquier otro encontrado cerca del suelo. Durante años, los investigadores se preguntaron cómo estos campos podían volverse lo suficientemente intensos para crear rayos sin descomponer el aire demasiado pronto.

El nuevo estudio muestra que una vez que el campo eléctrico alcanza una fuerza crítica, comienza a acelerar pequeñas partículas llamadas electrones. Algunos de estos electrones ya existen en la atmósfera, sembrados por rayos cósmicos que constantemente llueven desde el espacio. En condiciones normales, estos electrones hacen poco. Dentro de una nube de tormenta cargada, se convierten en algo completamente diferente.

A medida que el campo eléctrico empuja los electrones cada vez más rápido, estos chocan con moléculas de aire como nitrógeno y oxígeno. Estas colisiones liberan ráfagas de rayos X. Esos rayos X luego liberan aún más electrones a través de un proceso conocido como efecto fotoeléctrico. Cada nuevo electrón puede ser acelerado nuevamente, causando más colisiones y más radiación.

Lo que sigue es una reacción en cadena descontrolada. En una región muy pequeña de la nube, los electrones se multiplican rápidamente. La energía se acumula en un espacio reducido. Esta repentina oleada crea las condiciones necesarias para que se forme un rayo.

**Modelando la reacción en cadena invisible**

Para confirmar este proceso, el equipo se basó en un modelo matemático detallado llamado modelo de Descarga de Retroalimentación Fotoeléctrica. Pasko y sus colaboradores publicaron este modelo por primera vez en 2023. En el nuevo estudio, lo utilizaron para recrear las condiciones observadas durante tormentas reales.

Zaid Pervez, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica en Penn State, desempeñó un papel clave en la prueba del modelo. Comparó sus predicciones con observaciones recopiladas por otros científicos utilizando satélites, sensores terrestres e incluso aeronaves de investigación de gran altitud.

"Explicamos cómo ocurren los eventos fotoeléctricos, qué condiciones deben existir en las nubes de tormenta para iniciar la cascada de electrones y qué está causando la amplia variedad de señales de radio que observamos en las nubes antes de un rayo", explicó Pervez, según la fuente consultada.

El modelo coincidió con lo que los instrumentos han detectado durante las tormentas, incluidos breves destellos de radiación de alta energía y señales de radio inusuales. Estas señales a menudo aparecen justo antes de los rayos, pero hasta ahora, ninguna explicación única las vinculaba.

**Conectando los rayos con los destellos de rayos gamma**

Una de las partes más importantes del estudio explica un extraño fenómeno conocido como destellos de rayos gamma terrestres, o TGF por sus siglas en inglés. Estos son intensos estallidos de rayos gamma que provienen de la atmósfera terrestre, no del espacio exterior. Los satélites los descubrieron por primera vez en la década de 1990, y los científicos rápidamente se dieron cuenta de que estaban vinculados a las tormentas eléctricas.

Lo que confundió a los investigadores fue que los TGF a menudo aparecían sin destellos brillantes de rayos o señales de radio fuertes. Algunas tormentas parecían silenciosas, pero producían potentes rayos gamma.

La nueva investigación explica por qué. Según el modelo, las avalanchas de electrones que inician los rayos pueden variar ampliamente en intensidad. En algunos casos, permanecen muy compactas y de corta duración. Estos eventos pueden generar rayos X y rayos gamma detectables mientras producen muy poca luz visible o ruido de radio.

"En nuestro modelado, los rayos X de alta energía producidos por avalanchas de electrones relativistas generan nuevos electrones semilla impulsados por el efecto fotoeléctrico en el aire, amplificando rápidamente estas avalanchas", explicó Pasko. "Esto explica por qué estos destellos de rayos gamma pueden surgir de regiones de origen que parecen ópticamente tenues y silenciosas en radio".

Este hallazgo une los rayos y los TGF bajo el mismo proceso físico, ofreciendo una explicación única para ambos.

**Explicando otros eventos misteriosos en las nubes**

El estudio también arroja luz sobre otros fenómenos eléctricos desconcertantes dentro de las tormentas. Los científicos han observado descargas compactas entre nubes y otras ráfagas cortas de energía que no se convierten en rayos completos. Estos eventos producen señales de radio pero poca luz visible.

Pervez comparó los resultados del modelo con su propio trabajo sobre descargas compactas entre nubes. Descubrió que el mismo proceso de cascada de electrones podría explicar estos eventos cuando las condiciones no llegan a producir rayos.

Al comprender cómo pequeños cambios en la intensidad del campo eléctrico afectan el crecimiento de electrones, los investigadores ahora pueden explicar por qué las tormentas producen una gama tan amplia de comportamientos eléctricos. Lo que antes parecían fenómenos no relacionados ahora parecen ser diferentes expresiones de la misma física subyacente.

**Megadestellos: los rayos más largos jamás registrados**

Paralelamente a esta investigación sobre la formación de rayos, otro estudio reciente ha documentado la existencia de "megadestellos", rayos excepcionalmente largos que pueden extenderse a distancias sorprendentes. Según Physics Today, en octubre de 2017, un rayo extraordinario recorrió una trayectoria de 829 kilómetros desde el este de Texas hasta cerca de Kansas City durante 7,4 segundos.

En 2025, después de analizar datos satelitales reprocesados, la Organización Meteorológica Mundial de las Naciones Unidas certificó este destello de 2017 como el nuevo récord mundial del megadestello más largo. En décadas pasadas, la idea de que un rayo pudiera propagarse más de 100 kilómetros horizontalmente se consideraba improbable.

Los megadestellos no son un tipo diferente de rayo, sino simplemente "una chispa mucho, mucho más grande de lo habitual", según los expertos. Estos fenómenos ocurren principalmente en sistemas convectivos de mesoescala (MCS), grandes entidades meteorológicas que comprenden múltiples grupos de tormentas organizadas en configuraciones reconocibles.

Un tipo de MCS se propaga como un largo frente de núcleos eléctricamente activos, conocido como línea de turbonada, seguido de extensas áreas de nubes más superficiales y estratificadas que producen lluvia suave. Durante los meses más cálidos, estos sistemas atraviesan el centro de Estados Unidos, a menudo persistiendo durante más de 12 horas. Aunque están lejos de las corrientes ascendentes activas, esas nubes más superficiales contienen capas de carga eléctrica débil que pueden interconectarse para formar un "condensador nuboso" lo suficientemente grande como para cubrir un área de varios estados, proporcionando un entorno ideal para un megadestello.

**Implicaciones prácticas de la investigación**

Los rayos impactan la Tierra aproximadamente 50 veces por segundo. Dañan edificios, interrumpen sistemas de energía y amenazan vidas. Una mejor comprensión de cómo comienzan los rayos podría mejorar la previsión de tormentas y la evaluación de riesgos.

Esta investigación también mejora el conocimiento sobre la radiación atmosférica. Los rayos gamma y los rayos X de las tormentas pueden afectar la electrónica de las aeronaves y los sistemas satelitales. Comprender cuándo y dónde ocurren estas emisiones ayuda a mejorar la seguridad y el monitoreo.

Quizás lo más importante es que el estudio muestra cuán compleja y energética puede ser la atmósfera terrestre. Incluso las tormentas familiares esconden física extrema que rivaliza con los procesos observados en el espacio.

El estudio de los megadestellos también tiene importantes implicaciones para la seguridad pública. Un solo megadestello puede producir inesperadamente cien o más descargas nube-tierra que golpean a decenas o cientos de kilómetros de los centros activos de rayos. Estos impactos pueden ocurrir inesperadamente desde cielos nubosos mucho después de que la aparente amenaza de tormenta haya terminado.

Los hallazgos de la investigación están disponibles en línea en la revista JGR Atmospheres, mientras que la información sobre los megadestellos ha sido publicada en el Boletín de la Sociedad Meteorológica Americana.