Grupo de Plasmas Transitorios en Atmósferas Planetarias (TRAPPA)

Una descarga eléctrica de tipo corona es un fenómeno de ionización parcial del aire que no llega a evolucionar hacia un rayo completo. En las coronas de tipo streamer, dicha ionización se propaga en forma de finos filamentos de plasma. El grupo estudia streamers en nubes de tormenta mediante espectroscopía óptica y análisis de datos fotométricos, usando modelos basados en procesos microscópicos.

Descarga de corona en laboratorio, con el instrumento GALIUS

Mayoritariamente, emplean datos de la misión Atmosphere Space Interaction Monitor (ASIM) de la Agencia Espacial Europea (ESA), en la que están plenamente involucrados; el Ligthning Mapping Array (LMA) de la Universidad Politécnica de Cataluña, instalado en el Laboratorio del Valle del Ebro; y el Event-based Multi-band Lightning Imaging (EMiLI) de la Universidad Técnica de Eindhoven, instalado en Terrassa.

Los fenómenos luminosos transitorios (TLEs, por sus siglas en inglés) son emisiones luminosas que ocurren en la media y alta atmósfera, por encima de las tormentas eléctricas. Se descubrieron hace relativamente poco (finales del siglo XX) debido a que son fenómenos esquivos, apenas duran algunos milisegundos, por lo que resulta difícil observarlos a simple vista. Los TLEs incluyen a los duendes rojos o sprites, halos, chorros azules o blue jets, elves y fantasmas verdes o green ghosts. El grupo analiza espectros ópticos de rayos y TLEs mediante datos observacionales y modelos basados en procesos microscópicos.

Los instrumentos GrAnada Lightning Ultrafast Spectrograph (GALIUS), a la izquierda, y GRAnada Sprite Spectrograph and Polarimeter (GRASSP), a la derecha

Principalmente, emplean datos de la misión espacial ASIM (ESA) y de los instrumentos LMA y EMiLI en el Valle del Ebro, junto con los instrumentos GRAnada Sprite Spectrograph and Polarimeter (GRASSP) y GrAnada Lightning Ultrafast Spectrograph (GALIUS), diseñados y construidos por el grupo. GRASSP ha estado operativo desde 2012 (en los observatorios de Sierra Nevada y de Calar Alto), y desde 2015 hasta 2025 estuvo funcionando desde Castellgalí (Barcelona), puesto que Cataluña es una de las regiones de Europa con mayor actividad eléctrica atmosférica; mientras que GALIUS es relativamente portable y se puede usar en diferentes campañas de observación.

Los streamers son descargas eléctricas de tipo dardo que el grupo estudia tanto en el contexto de los rayos convencionales como en los TLEs, ya que en ambos casos desempeñan un papel fundamental en el inicio y la propagación de esas descargas eléctricas atmosféricas. Para ello, el grupo desarrolla modelos electrodinámicos, tanto de streamers individuales como de múltiples streamers interactuando entre sí, que describen cómo se propaga la descarga eléctrica en ambos contextos. Los modelos de streamers los combinan con modelos de cinética, simulaciones detalladas de la química y física del plasma, para reproducir y cuantificar las emisiones electromagnéticas generadas por streamers en rayos, coronas y TLEs.

Un evento luminoso transitorio (TLEs) captado desde la Estación Espacial Internacional. Crédito: NASA/N. Ayers

Un plasma es un gas ionizado formado por electrones, iones y moléculas excitadas. Los fenómenos eléctricos que estudia el grupo son plasmas transitorios que se producen en la atmósfera terrestre durante cortos instantes de tiempo. Los modelos cinéticos del plasma describen qué ocurre microscópicamente dentro del plasma, como las reacciones químicas y la emisión de luz. El grupo desarrolla sus propios modelos cinéticos y los combina con sus modelos electrodinámicos de streamers para reproducir y cuantificar las emisiones electromagnéticas generadas por streamers en rayos y TLEs. Esta línea de investigación sustenta la mayoría de las líneas de investigación del grupo.

El grupo desarrolla técnicas de inteligencia artificial y aprendizaje automático con el objetivo de mejorar la precisión de los modelos cinéticos de streamers y aumentar la eficiencia de los modelos electrodinámicos. Esta constituye la línea de investigación más reciente del grupo.

El grupo también estudia las emisiones de radiación gamma en la atmósfera de la Tierra. Dichas emisiones están formadas por fotones de gran energía y generada por electrones acelerados hasta grandes velocidades por las tormentas eléctricas. Estas pueden generar desde estallidos de rayos gamma muy intensos (TGFs) hasta emisiones más débiles pero duraderas (gamma glows). Para su estudio, el grupo analiza medidas de emisiones ópticas y desarrolla modelos teóricos. En este sentido, destaca su participación en el proyecto europeo GRAIL, cuyo objetivo es ampliar el conocimiento sobre las emisiones de radiación gamma de las nubes de tormenta, así como su impacto en el medio ambiente, los seres humanos y la tecnología.

Actualmente, se conoce la presencia de corriente continua en algunos rayos. Esta corriente, que puede durar entre diez y cientos de milisegundos, es un factor crítico en la ignición de grandes incendios forestales. El grupo investiga las propiedades clave de rayos de corriente continua, mediante el análisis de datos y simulaciones con modelos de circulación general (GCM). Estos modelos pueden predecir la distribución geográfica y la tasa de ocurrencia de rayos de corriente continua presentes (y futuros) para que se puedan realizar comparaciones con observaciones.

Un incendio forestal provocado por un rayo arrasa Alberta, Canadá. Crédito: Gobierno de Alberta

Principalmente, el grupo emplea datos de los instrumentos Lightning Imager (LI) y Flexible Combined Imager (FCI) a bordo del satélite Meteosat Third Generation Imager 1 (MTG-I1), posteriormente denominado Meteosat-12, que comenzó a proporcionar datos operativos en 2024 y es gestionado por EUMETSAT. Asimismo, utiliza observaciones del Lightning Mapping Array (LMA) de la Universidad Politécnica de Cataluña. Próximamente, el grupo espera llevar a cabo sus propias observaciones de rayos desencadenantes de incendios mediante el uso de cámaras de alta velocidad y sensores de campo eléctrico.

Los rayos generan óxidos de nitrógeno (NO_x) en reacciones químicas favorecidas por las altas temperaturas del plasma. Estos compuestos influyen en la formación de ozono y otras especies químicas y en la capacidad oxidante de la atmósfera, es decir, en su capacidad para transformar y eliminar contaminantes.

El grupo cuantifica y analiza el NO_x producido por rayos mediante modelizaciones basadas en observaciones proporcionadas por satélites y observatorios terrestres. Principalmente, emplean datos del instrumento Geostationary Lightning Mapper (GLM) del satélite GOES-16 de la NASA; del Lightning Imager (LI) del satélite Meteosat-12, operado por EUMETSAT; y del Ligthning Mapping Array (LMA) de la Universidad Politécnica de Cataluña.

El grupo emplea y contribuye al desarrollo de modelos atmosféricos a escala regional y global, que estudian la dinámica y la química de la atmósfera, para mejorar el conocimiento y la predicción de rayos y descargas corona durante tormentas. Sus resultados se validan mediante la comparación con datos observacionales. Entre los principales modelos empleados destacan el Weather Research and Forecasting Model (WRF) del Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR) de Estados Unidos, y el Modular Earth Submodel System (MESSy), coordinado por un consorcio internacional integrado principalmente por instituciones alemanas, del que el grupo forma parte.