Observación de rayos
Acerca de esta sección
La mayoría de las veces, percibimos los rayos en forma de un único destello de gran intensidad, el relámpago, que en promedio dura menos de medio segundo. Pero en realidad lo que vemos no es sino una parte del proceso que produce el destello de un rayo. Esta sección le permitirá explorar el ciclo de vida de un típico rayo de nube a tierra y aprender cómo las redes terrestres y los instrumentos espaciales como el GLM detectan los rayos. Al final comprenderá mejor el grado de complejidad de este fenómeno y el trabajo de ingeniería necesario para lograr su detección.
El elemento central de esta sección es una visualización animada que muestra un típico rayo de nube a tierra desde varias perspectivas.
El panel izquierdo (1) presenta de forma conceptual el proceso de descarga del rayo que se desarrolla en el seno de la nube de una tormenta. El panel inferior derecho (2) presenta la estructura del rayo tal como la perciben dos sistemas terrestres de detección de ondas de radio: un sistema de muy alta frecuencia (VHF), como las redes de detección y distribución de rayos LMA (Lightning Mapping Array), y una red más convencional de baja frecuencia que localiza cada descarga sobre el suelo. El panel superior derecho (3) muestra una vista de la cima de las nubes tal como la percibiría un aviador al sobrevolar una tormenta.
Después de estudiar la visualización contestará una serie de preguntas. Al final de esta sección aprenderá cómo el GLM percibe los pulsos ópticos generados por el destello y cómo los agrupamos en un «destello del GLM», que constituye la base de muchos de los productos que se distribuirán a los usuarios.
Antes de mirar la visualización, repasemos algunos conceptos básicos sobre los rayos.
¿Qué es un rayo?
El rayo es la descarga eléctrica que ocurre entre dos centros de carga de signo opuesto en el interior de la nube de una tormenta (en el caso de los rayos intranube) o entre las cargas opuestas de la nube y del suelo (los rayos nube a tierra).
En promedio, los destellos intranube representan casi el 75% de todos los rayos que ocurren a nivel mundial, aunque llegan a constituir el 99% de las descargas eléctricas que producen algunas tormentas. La mayor parte del 25% restante son destellos de rayos a tierra.
Una típica descarga a tierra se compone de 3 o 4 descargas de retorno, cada una de las cuales dura aproximadamente 60 millonésimas de segundo. La descarga de retorno es el resplandor vivo (el relámpago) producido por la súbita descarga de la energía eléctrica acumulada en la nube.
Los rayos nube a tierra pueden ser positivos o negativos, según la polaridad de la carga que se desplaza de la nube al suelo. En los rayos negativos, el centro de carga principal en la nube es de polaridad negativa, mientras el suelo tiene carga positiva. En el caso de un rayo positivo, se da la situación contraria. Tenga en cuenta que en la visualización se ha utilizado como ejemplo una descarga nube a tierra negativa.
Los estudios han demostrado que entre 80 y el 90 por ciento de todas las tormentas comienzan generando rayos intranube y que estos suelen preceder a la primera descarga a tierra a razón de 5 a 10 minutos o más. El GLM será capaz de detectar ambos tipos de descargas, de modo que podrá identificar la actividad eléctrica incipiente en las tormentas y alertarnos temprano del potencial de descargas a tierra.
Cada rayo nube a tierra consiste de uno o más trazadores descendentes, a los que se suceden una o más descargas de retorno. El trazador descendente (también denominado «líder» o «guía escalonada») es la fase inicial del destello del rayo y establece el canal conductor a través del cual se producirá la descarga eléctrica de retorno.
Cuando un trazador descendente establece la conexión con el suelo, se produce la descarga de retorno, que no es sino la súbita descarga de la electricidad acumulada en el trazador descendente. Esta descarga es lo que percibimos como un relámpago.
Los destellos de rayos intranube ocurren fundamentalmente de la misma manera, excepto que el trazador descendente establece un canal conductor entre regiones de polaridad opuesta que se han formado en el seno de la nube, sin llegar a producir una conexión con el suelo.
Anatomía del destello de un rayo
Esta página le permitirá explorar las distintas etapas del destello de un rayo nube a tierra. Haga clic en los distintos pasos para escuchar una descripción del proceso. Utilice el botón «Animación sin sonido» para ver la secuencia animada sin la narración. Cuando termine, seleccione la pestaña «Preguntas» para poner a prueba su entendimiento del proceso.
Preguntas
Conteste las preguntas sobre los rayos nube a tierra. Cuando termine, seleccione «Cómo identifica los destellos el GLM» para ver cómo las observaciones del instrumento se procesarán para crear un formato apropiado que permite generar distintos productos.
Pregunta 1
¿Qué porcentaje de los rayos es intranube y nube a tierra? (Elija la mejor respuesta.)
La respuesta correcta es A.
Dos tercios de todos los destellos de rayos son intranube, aunque en algunas tormentas pueden constituir hasta el 99%. La mayor parte del tercio restante son rayos nube a tierra. A veces, los rayos atraviesan el aire despejado entre los centros de carga de dos tormentas (rayos «internube» o «nube a nube»).
Pregunta 2
En total, el destello de un rayo ocurre en: (Elija la mejor respuesta.)
La respuesta correcta es B.
En promedio, la mayoría de los destellos de rayos duran menos de medio segundo, pero un porcentaje menor puede continuar durante varios segundos o más.
Pregunta 3
¿Cuál es el componente de los rayos intranube y nube a tierra que el GLM puede detectar? (Elija la mejor respuesta.)
La respuesta correcta es D.
La descarga de retorno es la parte más energética del destello y crea una cantidad de luz suficiente para que el GLM la detecte.
Pregunta 4
¿Por qué no puede el GLM detectar todos los componentes del destello de un rayo? (Elija la mejor respuesta.)
La respuesta correcta es C.
Los otros componentes el destello producen menos luz que la descarga de retorno. Además, la nube difumina esa luz, con lo cual se vuelve incluso menos probable que el GLM detecte la porción que alcanza la cima de la nube. La opción A es incorrecta, porque los pulsos ópticos generados por el destello de un rayo iluminan una región de la cima de la nube suficientemente grande (hasta kilómetros) para que el GLM los detecte. De hecho, el GLM es tan sensible que es capaz de detectar la luz incluso cuando no llena completamente el campo visual de 8 km de un píxel. La opción B es incorrecta porque las descargas de todos rayos generan energía en el rango del espectro entre el visible y el infrarrojo cercano. La opción D también es incorrecta, porque las observaciones del GLM son continuas y el instrumento muestrea todo el dominio que cubre a intervalos de 2 milisegundos.
Pregunta 5
¿Cuáles de estas afirmaciones acerca de las redes de detección de rayos de muy alta frecuencia (VHF) como la LMA son verdaderas? (Escoja todas las opciones pertinentes.)
Las opciones correctas son A y C.
La opción B es incorrecta. Aunque las redes detección de rayos de muy alta frecuencia (VHF) como la LMA son capaces de detectar todos los componentes del destello de un rayo, no pueden detectar los detalles de los eventos que ocurren fuera de su campo visual, como la porción inferior de un trazador ascendente que se origina en el suelo.
El proceso de detección del GLM
El GLM muestreará una escena muy amplia cada dos milisegundos y clasificará cada pulso óptico que detecte en el interior de una celda (un píxel) de 8 km como un evento individual. Sin embargo, a menudo los pulsos se extienden en sentido horizontal y los destellos de rayos suelen comprender varias descargas de retorno. Esto ha obligado a los investigadores a definir un conjunto de criterios espaciales y temporales que permita agrupar los eventos relacionados y asignarlos a un único destello.
Estudie esta serie de imágenes para hacerse una idea general del aspecto de los pulsos ópticos individuales correspondientes a un único destello y de cómo se procesan para asignarlos a un destello de rayo individual.
En primer lugar, los eventos que ocurren simultáneamente y en píxeles adyacentes se asignan a un solo grupo (los píxeles rojos del primer grupo, asociado con la primera descarga de retorno, y los píxeles anaranjados del segundo grupo, asociados con la segunda descarga de retorno). Los destellos que se componen de varios pulsos se asignan a varios grupos.
Estos grupos se agregan para formar un destello individual del GLM (los píxeles verdes) si ocurren dentro de un lapso de 330 milisegundos y a menos de 16.5 km de distancia uno del otro. Dada la resolución espacial de 8 a 14 km del GLM, esto significa que cualquier pareja de grupos pertenece a un destello particular si son contiguos o se encuentran a menos de dos píxeles de distancia uno del otro.
En resumen, este es el proceso que permite definir un destello a partir de la detección de los pulsos ópticos individuales:
- El GLM observa los pulsos ópticos individuales como «eventos» cada dos milisegundos.
- Los eventos se juntan en «grupos» cuando varios de ellos ocurren simultáneamente y en píxeles adyacentes.
- Los «grupos» se procesan y se organizan en un destello individual del GLM si ocurren a menos de 16.5 km de distancia y dentro de un lapso de 330 milisegundos uno del otro.
Creación de productos a partir de los destellos detectados por el GLM
Este diagrama compara la simulación de un destello individual del GLM que comprende dos grupos y veinte eventos (los cuadrados grises) con los pulsos detectados por una red de detección de rayos de muy alta frecuencia (VHF) como la LMA (los puntos de colores). Cada punto representa una detección individual de la red VHF que ocurre en distinto momento. Las detecciones rojas ocurrieron primero, luego las verdes y, finalmente, las azules. Los cuadrados grises indican la intensidad de los pulsos ópticos detectados por el GLM, siendo los más claros los más intensos. La X muestra la posición del destello del GLM determinada aplicando los criterios espaciales y temporales antes descritos a los eventos y los grupos
Los destellos detectados por el GLM se utilizarán para crear productos derivados. Un producto que será de particular interés para los pronosticadores es la «densidad de destellos por área» (Flash Extent Density), que mostrará el número de destellos detectados por el GLM en las celdas de 8 km durante un período de dos minutos. Este producto ayudará a identificar los núcleos de tormenta más activos. Las tendencias aparentes en el producto resaltarán las tormentas que están intensificándose con rapidez y que pueden producir condiciones de tiempo severo. El producto también mostrará dónde están produciéndose descargas intranube, que a menudo es una actividad precursora de las descargas de rayos nube a tierra.
Acaba de terminar la sección. Seleccione la pestaña «Aplicaciones» al comienzo de la página.