Los rayos y las descargas subvisibles producen moléculas que limpian la atmósfera

Los rayos rompen las moléculas de nitrógeno y oxígeno de la atmósfera y crean sustancias químicas reactivas que afectan a los gases de efecto invernadero. Ahora, un equipo de químicos atmosféricos y científicos especializados en rayos ha descubierto que los relámpagos y, sorprendentemente, las descargas subvisibles que no pueden verse con cámaras ni a simple vista, producen cantidades extremas del radical hidroxilo - OH - y del radical hidroperoxilo - HO2.

El radical hidroxilo es importante en la atmósfera porque inicia reacciones químicas y descompone moléculas como el gas de efecto invernadero metano. El OH es el principal impulsor de muchos cambios de composición en la atmósfera.

"Al principio, observamos estas enormes señales de OH y HO2 encontradas en las nubes y nos preguntamos: ¿qué le pasa a nuestro instrumento?", dijo William H. Brune, distinguido profesor de meteorología de Penn State. "Supusimos que había ruido en el instrumento, así que eliminamos las enormes señales del conjunto de datos y las archivamos para su posterior estudio".

Los datos procedían de un instrumento instalado en un avión que sobrevoló Colorado y Oklahoma en 2012 para observar los cambios químicos que las tormentas eléctricas y los relámpagos producen en la atmósfera.

Pero hace unos años, Brune sacó los datos de la estantería, vio que las señales eran realmente hidroxilos e hidroperoxilos, y luego trabajó con un estudiante de posgrado y un investigador asociado para ver si estas señales podían ser producidas por chispas y descargas subvisibles en el laboratorio. A continuación, realizaron un nuevo análisis del conjunto de datos sobre tormentas y relámpagos.

"Con la ayuda de un magnífico estudiante en prácticas", dijo Brune, "pudimos relacionar las enormes señales observadas por nuestro instrumento volando a través de las nubes de tormenta con las mediciones de los rayos realizadas desde el suelo".

Los investigadores comunicaron sus resultados en línea en Science First Release y en el Journal of Geophysical Research -- Atmospheres.

Brune señala que los aviones evitan volar a través de los núcleos de las tormentas eléctricas que se elevan rápidamente porque es peligroso, pero pueden tomar muestras del yunque, la parte superior de la nube que se extiende hacia fuera en la dirección del viento. Los rayos visibles se producen en la parte del yunque cercana al núcleo de la tormenta.

"A lo largo de la historia, la gente sólo se interesaba por los rayos por lo que podían hacer en el suelo", dijo Brune. "Ahora hay un interés creciente por las descargas eléctricas más débiles de las tormentas eléctricas que dan lugar a los rayos".

La mayoría de los rayos nunca llegan a tocar el suelo, y los que se quedan en las nubes son especialmente importantes porque afectan al ozono, un importante gas de efecto invernadero, en la atmósfera superior. Se sabía que los rayos pueden dividir el agua para formar hidroxilos e hidroperoxilos, pero este proceso nunca se había observado en las tormentas eléctricas.

Lo que confundió inicialmente al equipo de Brune fue que su instrumento registraba altos niveles de hidroxilo e hidroperoxilo en zonas de la nube en las que no había rayos visibles desde el avión o el suelo. Los experimentos en el laboratorio demostraron que una corriente eléctrica débil, mucho menos energética que la de los rayos visibles, podía producir estos mismos componentes.

Aunque los investigadores encontraron hidroxilos e hidroperoxilos en las zonas con rayos subvisibles, hallaron pocos indicios de ozono y ninguno de óxido nítrico, que requiere de rayos visibles para formarse. Si los relámpagos subvisibles se producen de forma rutinaria, el hidroxilo y el hidroperoxilo que crean estos eventos eléctricos deben incluirse en los modelos atmosféricos. En la actualidad, no lo están.

Según los investigadores, "el OH (hidroxilo) generado por los rayos en todas las tormentas que se producen a nivel mundial puede ser responsable de un 2% a 16%, muy incierto, de la oxidación atmosférica global del OH".

"Estos resultados son muy inciertos, en parte porque no sabemos cómo se aplican estas mediciones al resto del globo", dijo Brune. "Sólo hemos volado sobre Colorado y Oklahoma. La mayoría de las tormentas eléctricas están en los trópicos. Toda la estructura de las tormentas de las llanuras altas es diferente a las de los trópicos. Está claro que necesitamos más mediciones aéreas para reducir esta incertidumbre".