Rayos Cósmicos como Tormenta Sondas

Las ondas de radio generadas por los rayos cósmicos proporcionan una visión sin precedentes de los campos eléctricos esquivos en las tormentas.

Radboud University Nijmegen

Sonda Cósmico. En esta imagen compuesta, un rayo cósmico produce una lluvia de partículas secundarias (rosa y morado) que emiten ondas de radio a medida que interactúan con el campo magnético de la Tierra. LOFAR ... 

Los científicos atmosféricos todavía no tienen una comprensión completa de los relámpagos, en parte porque es difícil medir los campos eléctricos en las tormentas. Ahora una gran colaboración internacional de científicos ha demostrado una nueva forma de tomar una instantánea de los campos eléctricos atmosféricos. Utilizaron detectores diseñados para la astronomía para medir las ondas de radio producidas durante las lluvias de rayos cósmicos que se produjeron en las tormentas. El equipo dedujo una estructura de dos capas de campos eléctricos de tormenta, una idea que se ha propuesto, pero nunca claramente observado.

La mayoría de las medidas existentes de los campos eléctricos de tormenta se realizan con instrumentos aerotransportadas, realizadas por los globos, por ejemplo. Pero solamente uno consigue mediciones a lo largo de la trayectoria de vuelo, que en el caso de un globo no puede ser controlada de todos modos. Y la presencia de un globo o de otras aeronaves perturba el campo, incluso hasta el punto de atraer a una huelga de relámpago que podría destruir un globo y su carga útil.

Ha habido propuestas para utilizar las duchas de aire de rayos cósmicos como sondas de campos eléctricos atmosféricos, pero ahora Heino Falcke de la Universidad de Nijmegen en los Países Bajos y su Ph.D. estudiante Pim Schellart, junto con un grupo de la Universidad de Groningen y un equipo grande, internacional de colaboradores, han demostrado este enfoque.La idea básica es que los rayos cósmicos fundamentales-partículas tales como protones o fotones de rayos gamma que fluyen a través del espacio-pueden producir una lluvia de partículas con carga eléctrica en la atmósfera, lo que genera ondas de radio como las partículas se mueven en el campo magnético de la Tierra. Los grandes campos eléctricos de las tormentas eléctricas pueden perturbar el movimiento de estas partículas secundarias de una manera distintiva que deja una huella en sus emisiones de radio y permite que la intensidad de campo y dirección a deducir.

Hay dos formas en las que las partículas secundarias cargadas son producidos por rayos cósmicos. Los rayos gamma de alta energía pueden decaer en pares de electrones y positrones (anti-electrones); y los rayos cósmicos pueden chocar con los átomos atmosféricos y echar a los electrones. Cada uno de estos productos cargados creará un pulso de radio-frecuencia que se mueve en el campo geomagnético. En general, las ondas de radio están polarizados en una dirección que depende de la orientación relativa de movimiento de las partículas y el campo magnético.

Pero las trayectorias de las partículas en la ducha pueden ser alteradas por fuertes campos eléctricos atmosféricos, por ejemplo, durante una tormenta eléctrica. La firma de tales campos de alta una diferencia entre la dirección prevista de la onda de radio de polarización, basado en la orientación conocida de la ducha, y la dirección de polarización observada.

Observar la polarización de ondas de radio, Schellart y sus colegas hicieron uso de la LOFAR (Low Frequency matriz) de la red de radiotelescopios, una serie de antenas de radio sencillas centradas en el norte de los Países Bajos, sino también entre ellos varios otros países europeos.LOFAR es operado por el Instituto Holandés de Radioastronomía, Astron.

En condiciones de buen tiempo, las simulaciones de los patrones de polarización de las emisiones de radio cósmicas de rayos-ducha perfectamente adaptados a los medidos por el conjunto holandés (el equipo recogió hay datos de otros países). 

Para reproducir los datos, los investigadores necesitan para agregar a sus cálculos de una estructura de dos capas, donde los campos de las capas superior e inferior apuntaban en direcciones opuestas. Este tipo de campo en capas se ha propuesto antes como resultado de la disposición de cargos en una nube de tormenta, pero miembro del equipo Anna Nelles de Nijmegen dice que la técnica ofrece ahora "la primera sección transversal instantánea del campo eléctrico a través de una nube". Las mediciones implican intensidades de campo de alrededor de 130  km entre la mitad que en la capa inferior.

"Campos eléctricos Tormenta han sido difíciles de medir, y no hay mucha incertidumbre acerca de lo grande que los campos pueden conseguir", dice el experto rayo Joseph Dwyer, del Instituto de Tecnología de Florida. 

Esta incertidumbre, dice, impide una subestimación de cómo se inicia un rayo en el interior de las nubes. "Tener una técnica como ésta para medir de forma remota el campo eléctrico es muy útil y puede ayudar a avanzar en la comprensión de las tormentas y los rayos."

Esta investigación se publica en la revista Physical Review Letters .