https://fremont.ninkilim.com/articles/we_live_inside_an_electric_circuit/es.html
Cuando las personas escuchan el término clima espacial, podrían pensar en erupciones solares que interrumpen satélites o auroras que brillan en la noche polar. Sin embargo, en esencia, el clima espacial no es más exótico que el comportamiento de partículas cargadas que fluyen desde el Sol.
Las capas externas del Sol son un plasma hirviente: tan caliente que los electrones y protones ya no permanecen unidos en átomos, sino que se mueven libremente. Como un filamento colosal en un tubo de vacío, el Sol emite constantemente este fluido conductor eléctrico conocido como viento solar. Este fluye a través del sistema solar a cientos de kilómetros por segundo, llevando consigo electrones, protones, partículas alfa y campos magnéticos entrelazados.
Las naves espaciales en el punto L1, a un millón de kilómetros corriente arriba de la Tierra, miden el viento solar en tiempo real. Nos indican cuántos electrones, protones e iones más pesados llegan y a qué velocidad. En condiciones tranquilas, el viento tiende a tener un ligero exceso de electrones, por lo que el espacio interplanetario lleva un fondo de carga ligeramente negativa.
Cuando una eyección de masa coronal (CME) estalla desde el Sol, el equilibrio cambia. Enormes burbujas de plasma y campo magnético barren el espacio y colisionan con el escudo magnético de la Tierra. En los polos, parte de esta energía se canaliza hacia abajo a lo largo de las líneas de campo magnético, excitando átomos de oxígeno y nitrógeno en cortinas brillantes de verde y rojo: la aurora boreal en el hemisferio norte y la aurora austral en el hemisferio sur.
La Tierra ha estado inmersa en este entorno durante miles de millones de años. Los cuerpos conductores sumergidos en plasma no permanecen neutrales; acumulan carga. A lo largo del tiempo geológico, la Tierra se ha asentado en un potencial eléctrico ligeramente negativo en relación con su entorno espacial.
Esta comprensión es nuestra transición del espacio al cielo: si la Tierra es negativa y el espacio de arriba está bañado en electrones y protones, ¿cómo se equilibra la carga en la atmósfera misma? La respuesta es la ionosfera.
La ionosfera comienza alrededor de los 50 km de altura y se extiende hasta cientos de kilómetros. Allí, la luz ultravioleta solar y las partículas entrantes arrancan electrones de los átomos, dejando un gas diluido de iones. Para nosotros en la superficie, el aire parece un aislante. Pero con la altitud, la ionización aumenta rápidamente y la conductividad se incrementa en varios órdenes de magnitud.
La ionosfera fue descubierta en la década de 1920, no por físicos, sino por ingenieros de radio. Edward Appleton y sus colegas notaron que las ondas de radio a veces viajaban mucho más allá del horizonte. Las señales rebotaban en una capa conductora en lo alto, lo que ahora llamamos las capas E y F de la ionosfera. Este “espejo en el cielo” hizo posible la radiodifusión global, y el trabajo de Appleton le valió un Premio Nobel.
Pero más allá de la radio, la ionosfera tiene un significado más profundo. Imagina la Tierra como una esfera conductora que lleva una carga negativa y la ionosfera como una capa cargada positivamente a decenas de kilómetros de altura. Entre ellas se encuentra la atmósfera: no un vacío perfecto, no un aislante perfecto, sino un dieléctrico con fugas. Juntas forman un condensador esférico, cargado a aproximadamente +250,000 voltios.
En la superficie, este potencial aparece como el campo eléctrico atmosférico de buen tiempo: aproximadamente +100 a +300 voltios por metro, dirigido hacia abajo. En otras palabras, la ionosfera positiva atrae electrones hacia arriba, dejando la superficie relativamente negativa. Dado que el aire se vuelve más conductor con la altitud, la mayor parte de esta caída de voltaje ocurre en los 10-15 km más bajos, la troposfera, donde residen todas las nubes y el clima.
En condiciones tranquilas, este campo es estable, modulado solo por el ritmo global de todas las tormentas del mundo, un ciclo diario conocido como la curva Carnegie. Sin embargo, esta línea base tranquila prepara el escenario para el drama de las tormentas.
Dentro de una nube cumulonimbus en crecimiento, billones de partículas de hielo y gotas colisionan. Cada una lleva iones: H⁺ y OH⁻, constantemente presentes en el agua. El campo eléctrico ambiental influye en cómo se mueven estas cargas. Los cristales de hielo pequeños tienden a adquirir carga positiva y son llevados hacia arriba por corrientes ascendentes, mientras que el granizo más pesado acumula carga negativa y cae a niveles intermedios.
El resultado es una estructura tripolar:
Esta separación refleja un famoso experimento del siglo XIX. En 1867, Lord Kelvin, conocido por la escala de temperatura termodinámica, construyó un dispositivo usando solo agua que goteaba, anillos y cubos. El generador de gotas de agua de Kelvin aprovechó pequeños desequilibrios iónicos en las gotas que caían. Con una inducción inteligente, esas fluctuaciones se reforzaron hasta que chispas de miles de voltios saltaron del aparato.
El dispositivo de mesa de Kelvin era una tormenta en miniatura. Las nubes son simplemente versiones más grandes de la misma fábrica de carga, impulsada por la gravedad, la convección y las colisiones.
La mayoría de los relámpagos que vemos provienen de la capa media negativa que se descarga hacia la tierra. Pero a veces, la región positiva superior libera su carga. Estos relámpagos positivos son mucho más potentes, transportan corrientes más grandes y alcanzan decenas de kilómetros lateralmente, los infames “rayos de la nada”. Raros pero mortales, son lo opuesto al campo de buen tiempo: la cima positiva de la nube se descarga directamente a la Tierra.
Cada tormenta actúa así como un generador, bombeando carga positiva hacia la ionosfera y carga negativa hacia la tierra. Colectivamente, las ~2,000 tormentas activas de la Tierra mantienen el potencial global de 250 kV, reponiendo lo que de otro modo se filtraría. Las tormentas no son solo eventos climáticos; son las centrales eléctricas del circuito eléctrico del planeta.
Durante siglos se pensó que los relámpagos estaban confinados debajo de la base de la nube. Pero el circuito funciona en ambas direcciones. Las tormentas también se descargan hacia arriba, hacia la ionosfera, a veces hasta el espacio cercano.
En la década de 1990, los satélites que buscaban estallidos de rayos gamma cósmicos detectaron algo inesperado: destellos de rayos gamma de milisegundos provenientes de la propia Tierra. Estos destellos de rayos gamma terrestres (TGFs) se producen cuando los campos eléctricos en las cimas de las tormentas aceleran electrones a velocidades casi relativistas, chocando con moléculas de aire y emitiendo rayos gamma. Una tormenta se convierte en un acelerador de partículas natural, rivalizando con máquinas hechas por el hombre.
Mucho antes de que los satélites confirmaran esto, los pilotos de gran altitud susurraban sobre luces extrañas: resplandores rojos, conos azules, anillos similares a halos sobre las tormentas. Los pilotos de U-2 en la década de 1950 podrían haber sido de los primeros en verlos, pero sus informes fueron descartados como ilusiones ópticas. Solo a finales del siglo XX las cámaras los capturaron:
Juntos, estos son eventos luminosos transitorios (TLEs), los relámpagos ocultos del cielo, que conectan tormentas con la ionosfera. Demuestran que las tormentas no son locales, sino actores globales, inyectando energía y partículas hacia arriba, perturbando la propagación de radio, las órbitas de los satélites e incluso los cinturones de radiación.
Comenzamos con el clima espacial como algo impuesto a la Tierra. Ahora vemos lo contrario: la Tierra misma genera clima espacial, a través del trabajo de sus tormentas.
A estas alturas, el esquema está claro: la Tierra, la ionosfera y el espacio están unidos en un circuito eléctrico global. Sin embargo, este tema cae torpemente entre disciplinas.
El resultado es que la electricidad atmosférica se desliza por las grietas. Los informes meteorológicos estándar dan temperatura, presión, viento y humedad, pero no el campo atmosférico estático, aunque se puede medir con un simple medidor de campo.
Ya tenemos modelos. Las redes de relámpagos (Blitzortung, ALDIS, EUCLID) muestran la actividad de las tormentas en tiempo real al rastrear sferics, los pulsos de radio de los relámpagos. ¿Por qué no construir lo mismo para los campos eléctricos estáticos?
Una red de este tipo podría:
Muchos observatorios ya miden la electricidad atmosférica, pero los datos están dispersos y ocultos. Un esfuerzo global coordinado llamado GLOCAEM (Coordinación Global de Mediciones de Electricidad Atmosférica) se lanzó hace solo unos años, conectando unas 20-30 estaciones de Europa, Asia, África y América. Algunos de estos sitios, como el Observatorio Conrad en Austria, Lomnický Štít en Eslovaquia y Eskdalemuir en Escocia, tienen largas historias de monitoreo continuo del gradiente de potencial.
Pero a diferencia de las redes de relámpagos como Blitzortung, estos flujos de datos permanecen en gran medida en manos de los investigadores. Existen gráficos en tiempo real, pero no están ampliamente publicitados ni diseñados para uso público. Para la mayoría de las personas, incluso los estudiantes de física, el campo atmosférico sigue siendo invisible.
Esa es la brecha: no la medición, sino la accesibilidad. Lo que se necesita es la traducción de archivos científicos en tableros públicos y APIs abiertas, de la misma manera que las redes de sferics hicieron que la actividad de las tormentas fuera algo que cualquiera podía ver desplegarse en vivo. Una capa de ciencia ciudadana sobre las redes de investigación existentes podría cerrar el circuito, convirtiendo los gráficos ocultos de los observatorios en una variable climática “quinta” viva.
Vivimos dentro de un circuito eléctrico. La Tierra es la placa negativa, la ionosfera la positiva, y las tormentas son los generadores. Los relámpagos son solo el síntoma más visible. Sprites, chorros, rayos gamma y corrientes de buen tiempo son el resto.
Llevar esta dimensión oculta del clima a la vista pública, al abrir datos y construir redes, completaría nuestra comprensión del cielo. Nos daría mejores herramientas de pronóstico, nuevos conocimientos sobre el clima y la salud, y restauraría una sensación de maravilla: la comprensión de que el mundo en el que caminamos no solo gira en el espacio, sino que brilla, zumba y chispea dentro de una máquina eléctrica a escala planetaria.