El uso de láseres como herramientas de precisión para estudiar cómo se activan eléctricamente las nubes puede parecer un futuro, pero investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) lo han convertido en un trabajo práctico de laboratorio. Al capturar y cargar pequeñas partículas en el aire con un haz de luz enfocado, los científicos pueden observar cómo cambia su estado eléctrico con el tiempo. Sus hallazgos, reportados recientemente carta de revisión físicaLo que puede ayudar a revelar la aparición de un rayo.
Los aerosoles son diminutas gotitas o partículas sólidas que quedan suspendidas en el aire y nos rodean constantemente. Algunos son lo suficientemente grandes como para verlos, como el polen de primavera, mientras que otros, como los virus que circulan durante la temporada de gripe, son demasiado pequeños para el ojo humano. Algunas también se pueden sentir mediante el gusto, incluidas las finas partículas de sal transportadas por la brisa marina.
La estudiante de doctorado Andrea Stallner, miembro de los grupos Witukitis y Müller de ISTA, estudia el comportamiento de los cristales de hielo que se forman en las nubes. Para comprender mejor cómo estos cristales acumulan carga, trabaja con modelos de aerosoles hechos de esferas de sílice transparentes muy pequeñas.
Junto con el ex postdoctorado de ISTA Isaac Lenton, el profesor asistente de ISTA Scott Waitukaitis y sus colaboradores, Stollner desarrolló una técnica que utiliza dos rayos láser que se cruzan para atrapar, estabilizar y cargar eléctricamente una partícula de sílice. Esta configuración abre la puerta a nuevas investigaciones sobre cómo comienza la electrificación de las nubes y cómo se producen los rayos.
Creando una trampa láser estable
Andrea Stallner trabaja en una gran mesa de laboratorio llena de componentes metálicos pulidos. Los rayos láser verdes rebotan de espejo en espejo, cruzando el espacio. Un silbido lento y constante proviene de la mesa, como el aire que sale de un neumático. “Se trata de una mesa antivibraciones”, explica Stöllner y explica cómo protege los láseres de los equipos que se encuentran en la habitación o en sus alrededores, lo que es esencial para realizar mediciones de alta precisión.
El haz viaja a través de una serie de secciones alineadas antes de converger en dos corrientes estrechas que ingresan a un contenedor sellado. Cuando se encuentran, forman un punto de luz concentrado que puede mantener pequeñas partículas en su lugar. Estas “pinzas ópticas” suspenden los aerosoles a la deriva el tiempo suficiente para estudiarlos. Cuando se atrapa una partícula, se ve un destello verde brillante, lo que confirma que la trampa ha capturado con éxito una partícula de aerosol brillante y perfectamente esférica.
“La primera vez que capté una partícula, estaba en la luna”, recordó Stollner sobre su momento decisivo justo antes de Navidad hace dos años. “Scott Vaitukaitis y mis colegas corrieron al laboratorio y vieron brevemente la partícula de aerosol capturada. Duró exactamente tres minutos, luego la partícula desapareció. Ahora podemos mantenerla en esa posición durante semanas”.
Fueron necesarios unos cuatro años para alcanzar este nivel de control. El experimento comenzó con una versión anterior desarrollada por Lenton. “Básicamente, nuestra configuración fue diseñada para contener una sola partícula, analizar su carga y determinar cómo la humedad cambia su carga”, dijo Stallner. “Pero nunca llegamos tan lejos. Descubrimos que el láser que estábamos usando cargaba nuestras partículas de aerosol”.
Cómo los láseres aflojan los electrones
Stallner y sus colegas descubrieron que las partículas adquieren carga mediante un “proceso de dos fotones”.
Las partículas de aerosol normalmente casi no llevan carga neta, con electrones (entidades cargadas negativamente) orbitando dentro de cada átomo. Los rayos láser están formados por fotones (partículas de luz que viajan a la velocidad de la luz). Cuando dos fotones chocan contra la partícula al mismo tiempo y son absorbidos juntos, pueden eliminar un solo electrón. La pérdida de ese electrón le da a la partícula una unidad de carga positiva y, con la exposición continua, la partícula se vuelve progresivamente más cargada positivamente.
Para Stöllner, identificar este proceso abrió nuevas oportunidades. “Ahora podemos observar con precisión la evolución de una partícula de aerosol a medida que se carga de neutra a muy cargada y ajustar la potencia del láser para controlar la velocidad”.
A medida que la carga se acumula, la partícula también comienza a perder carga nuevamente en un estallido breve y repentino. Estas descargas espontáneas indican comportamientos que pueden ocurrir naturalmente en la atmósfera.
Arriba, las partículas de las nubes pueden pasar por el mismo ciclo de formación y liberación de carga.
Buscando la primera chispa del relámpago
Las nubes de tormenta contienen una mezcla de cristales de hielo y grandes trozos de hielo. Cuando estos chocan, intercambian cargas eléctricas. Con el tiempo, la nube se desequilibra tanto eléctricamente que cae un rayo. Una idea es que la primera chispa de un rayo puede originarse directamente a partir de cristales de hielo cargados. Sin embargo, el mecanismo exacto del rayo sigue sin resolverse. Otras teorías proponen que los rayos cósmicos inician el proceso porque las partículas cargadas que producen se aceleran dentro de un campo eléctrico existente. Según Stollner, la opinión científica actual es que, en ambos casos, el campo eléctrico dentro de la nube parece ser demasiado débil para iniciar un rayo por sí solo.
“Nuestra nueva configuración nos permite explorar la teoría cristalina del hielo examinando de cerca la dinámica de carga de una partícula a lo largo del tiempo”, explica Stallner. Aunque los cristales de hielo naturales en las nubes son mucho más grandes que las partículas de sílice utilizadas en el laboratorio, el equipo espera que la comprensión de estos efectos a pequeña escala revele los procesos más grandes que causan los rayos. “Nuestro modelo de cristales de hielo muestra descargas y probablemente haya muchas más. Imagínense si terminan produciendo pequeñas chispas de electricidad, sería genial”, añade con una sonrisa.
