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| Un espectáculo verde. Con gafas protectoras, Andrea Stöllner, estudiante de doctorado del ISTA, observa la cámara experimental (en primer plano) donde dos haces láser atrapan una sola partícula. Electrón a electrón, la científica espera que su trabajo revele misterios sobre el comportamiento de las partículas diminutas y contribuya al avance de la investigación científica sobre la electrificación de las nubes. A medida que el brillo verde de la partícula capturada se atenúa, Stöllner reinicia rápidamente su montaje para capturar otra. Crédito: ISTA |
La ciencia a menudo progresa por accidentes felices. Eso fue exactamente lo que sucedió con Andrea Stöllner y su equipo del Institute of Science and Technology Austria. Sus experimentos, inicialmente destinados a estudiar partículas individuales, terminaron ofreciendo una nueva manera de investigar uno de los fenómenos más imponentes de la naturaleza: el inicio de los rayos.
Los rayos, esos zigzagueantes descargas eléctricas que iluminan la Tierra casi 9 millones de veces al día, siguen siendo un misterio en cuanto a cómo se generan dentro de las nubes. A pesar de que conocemos la física de objetos a millones de años luz, no comprendemos completamente cómo se desencadena un rayo apenas unos kilómetros sobre nuestras cabezas.
Investigadores han enviado globos meteorológicos, volado aviones a través de tormentas y utilizado cámaras de alta velocidad para capturar rayos y reacciones foto-nucleares, pero el mecanismo inicial sigue siendo incierto. Se sabe que las nubes de tormenta se cargan eléctricamente, y la teoría principal sostiene que los cristales de hielo chocan con granizo blando o graupel, separando cargas opuestas. Sin embargo, los campos eléctricos medidos dentro de las nubes son demasiado débiles para conducir corriente suficiente para iniciar un rayo.
Stöllner y su equipo encontraron un camino alternativo para estudiar esto en el laboratorio. Usando láseres como unas "pinzas ópticas", atraparon una sola partícula microscópica de sílice y midieron cómo se cargaba a medida que aumentaba la intensidad del láser. La partícula absorbía fotones, liberando electrones y quedando positivamente cargada. Sorprendentemente, a veces la partícula experimentaba una descarga espontánea, un fenómeno que podría asemejarse, a pequeña escala, al primer destello de un rayo.
“No sabemos exactamente cómo sucede, pero la carga cae muy rápido”, explica Stöllner. “Esto nos permite estudiar, con una precisión increíble, cómo una partícula se carga y descarga, lo cual refleja el mismo proceso que inicia un rayo en la atmósfera”.
El enfoque es innovador porque no utiliza electrodos metálicos; las partículas flotan libremente, como los aerosoles en la atmósfera. Además, requiere campos eléctricos mucho más débiles que experimentos previos. Aunque los cristales de hielo son los principales actores en el inicio de los rayos, este método ofrece un modelo de alta resolución para comprender fenómenos eléctricos en la atmósfera.
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| Una de las «microdescargas» observadas en los experimentos. El recuadro muestra una descarga con una magnitud de alrededor de 30e. Crédito: Stöllner et al., Phys. Rev. Lett., 2025 |
El físico Dan Daniel, del Okinawa Institute of Science and Technology, destacó que esta técnica “permite estudiar la carga de gotas de agua o cristales de hielo a nivel microscópico, un paso esencial para entender la electrificación de nubes y la electricidad atmosférica”. Incluso puede aplicarse a la ciencia planetaria, ya que partículas de polvo en la Luna se cargan y levitan por la luz solar y el viento solar, afectando instrumentos y rovers.
En resumen, lo que comenzó como un experimento con partículas de sílice podría abrir una ventana sin precedentes para comprender cómo se genera la chispa inicial que desencadena los rayos, y potencialmente ayudar a proteger satélites, aeronaves y sistemas de comunicación en la Tierra y más allá.
Fuentes, créditos y referencias:
Using optical tweezers to simultaneously trap, charge and measure the charge of a microparticle in air, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/5xd9-4tjj
