Un modelo brasileño permite prever el surgimiento de rayos durante las tormentas

Una aplicación que puede bajarse en teléfonos inteligentes y tablets le permitirá a cualquier usuario acceder a este pronóstico

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – En la ciudad de Campinas, en el interior del estado de São Paulo, Brasil, se está probando un modelo que apunta a predecir el surgimiento de rayos durante las tormentas y que podría estar operativo durante este mismo verano. Una aplicación llamada “SOS-Chuva app” –que es gratuita y se destina a smartphones y tablets, y que suministra actualmente distintas informaciones sobre el tiempo– permitirá mediante dicho modelo tener acceso también al pronóstico de los rayos.

Este modelo, desarrollado en el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe), es uno de los resultados prácticos del Proyecto Temático intitulado “Pronóstico inmediato de tormentas intensas y comprensión de los procesos físicos del interior de las nubes – SOS-Chuva (Sistema de observación y pronóstico de tiempo severo)”, que cuenta con la coordinación de Luiz Augusto Toledo Machado y el apoyo de la FAPESP.

Mediante el empleo de un radar polarimétrico adquirido con recursos de la FAPESP e instalado en la Universidad de Campinas (Unicamp), este modelo permitirá estimar, con una antelación de media hora, si determinado conjunto de nubes producirá muchos relámpagos o no. Con un radio de cobertura de 100 kilómetros y una gran precisión en los primeros 60 kilómetros, este radar rastrea las características de las nubes del cielo de Campinas y su zona.

La eventual instalación de nuevos radares polarimétricos o la adaptación de equipos ya instalados permitirán extender el pronóstico a otras regiones de Brasil. Debido a la gran extensión del territorio nacional, se calcula que caen entre 60 y 75 millones de rayos anualmente en el país, causando decenas de muertes y pérdidas sociales estimadas en los 1.000 millones de reales.

La construcción de este modelo tuvo como punto de partida una investigación realizada por Enrique Vieira Mattos en el marco del Proyecto Temático intitulado “Procesos de nubes asociados a los principales sistemas precipitantes en Brasil: un aporte al modelado de la escala de nubes y al GPM (Observatorio de Medición de la Precipitación Global)”. El joven investigador contó con el beneficio de dos becas de la FAPESP: de Doctorado y de Pasantía de Investigación en el Exterior.

Una descripción de su estudio intitulado Polarimetric radar characteristics of storms with and without lightning activity salió publicada y estampada en la tapa de Journal of Geophysical Research en diciembre de 2016.

El investigador fue también coautor de otro artículo publicado en Geophysical Research Letters, intitulado Stroke multiplicity and horizontal scale of negative charge regions in thunderclouds, y más recientemente, autor principal de un trabajo en proceso de revisión en Journal of Geophysical Research. Estos artículos se elaboraron en colaboración, junto a científicos del Inpe, de la Universidad de São Paulo (USP) y del Massachusetts Institute of Technology (MIT), de Estados Unidos.

“El objetivo de nuestra investigación consistió en entender las diferencias microfísicas entre las tormentas con descargas eléctricas y sin éstas. La intención consistía en saber cómo diferenciar, mediante el empleo del radar meteorológico, el potencial de una nube para producir o no relámpagos”, declaró Vieira Mattos a Agência FAPESP.

Para llevar adelante este estudio, los científicos emplearon una red de sensores con capacidad para detectar cada relámpago en tres dimensiones. Además de las latitudes y las longitudes que se detectan usualmente, se midieron también las alturas de cada parte del relámpago en el interior de las nubes. Dichas mediciones se realizaron en el marco de la campaña del programa SOS-Chuva en la zona de Vale do Paraíba, en São Paulo, coordinada por el Inpe.

La referida red, denominada LMA (sigla derivada de la expresión en inglés Lightning Mapping Array), utilizada por primera vez en Brasil, se compuso de 12 sensores instalados en suelo y que cubrían la zona metropolitana de São Paulo. A través de la radiación electromagnética emitida por los relámpagos, los aparatos determinaron las tres coordenadas de cada uno de sus puntos a lo largo de las líneas de propagación.

“Nuestras mediciones fueron fruto de una cooperación internacional que contó con la participación del Inpe, la Universidad de São Paulo, la Nasa [National Aeronautics and Space Administration] y la NOAA [National Oceanic and Atmospheric Administration], la agencia meteorológica subordinada al Departamento de Comercio de Estados Unidos, que midió las descargas eléctricas”, informó Luiz Augusto Toledo Machado. El científico fue director de la tesis doctoral de Vieira Mattos y también firma el artículo publicado en Journal of Geophysical Research.

Aparte de emplear la LMA, los investigadores recurrieron también al radar polarimétrico con el objetivo de diferenciar el tipo de partículas existentes en el interior de las nubes, si eran de agua líquida o de hielo, la forma de las partículas de hielo –si eran esféricas, cónicas u oblongas–, y la orientación de las partículas, si tenían su eje principal orientado horizontalmente o verticalmente. Y además, en determinada zona de las nubes, si el hielo aparecía mezclado con agua líquida o no.

“Con los sensores de la red LMA logramos determinar en qué nubes había relámpagos y en cuáles no los había, y en qué posiciones de las nubes surgían los eventuales relámpagos. Con el radar analizamos por separado cada capa de las nubes, desde el base hasta la cima. Esto nos permitió asociar la existencia de relámpagos con las propiedades microfísicas de cada capa. Y con base en ello pudimos construir el modelo conceptual para el pronóstico de los relámpagos”, afirmó Vieira Mattos.

“En las nubes con alta probabilidad de surgimiento de relámpagos había bastante hielo con formato cónico en la franja cuyas temperaturas varían de cero a 15 grados bajo cero. En la misma zona había también muchos cristales de hielo y agua líquida superenfriada. Esa mezcla –hielo con formato cónico, cristales de hielo y agua líquida superenfriada en altas concentraciones–, asociada a la existencia de corrientes verticales intensas, genera una tasa de colisión mayor entre las partículas. Y como consecuencia de ello, también la ionización y la separación de las cargas eléctricas, la condición necesaria para que se produzcan las descargas eléctricas”, prosiguió el investigador.

“Asimismo, cerca de la cima, a la que denominamos fase glaciada, donde la temperatura disminuye por debajo de los 40 grados bajo cero, esas grandes nubes poseen también un campo eléctrico sumamente intenso, que orienta verticalmente los ejes de los cristales de hielo. Éste se convierte entonces en otro marcador importante”, añadió.

La combinación de esos dos ingredientes permite caracterizar muy bien a las nubes productoras de relámpagos: poseen una mezcla significativa de hielo en formato cónico, cristales de hielo y agua líquida superenfriada en la franja situada entre cero y menos 15 grados, y poseen cristales de hielo orientados verticalmente en la franja de los 40 grados bajo cero. Al captar por medio del radar las propiedades polarimétricas, es decir, la forma y la orientación del hielo, es posible saber si una nube tiene o no potencial como para producir descargas eléctricas. Y el modelo permite efectuar el pronóstico casi inmediato de los eventos, con una antelación de media hora.

Una segunda consecuencia importante de este estudio es la posibilidad de hacer aquello que puede considerarse como el camino inverso, es decir, partir del inventario de los relámpagos para caracterizar o estimar los perfiles microfísicos de las nubes. Ahora es posible elaborar este inventario prácticamente en tiempo real, gracias al lanzamiento del satélite GOES 16 (Geostationary Operational Environmental Satellite), en noviembre de 2016.

“El GOES 16, llamado GOES R antes de su lanzamiento, es el satélite geoestacionario más moderno que se ha fabricado, de propiedad de la NOAA, que invirtió alrededor de 11 mil millones de dólares en el proyecto. Entre sus diversos sensores, hay uno que mide las descargas eléctricas y que lleva el nombre de Geostationary Lightning Mapper (GLM). Y efectúa el mapeo de todos los relámpagos que ocurren en las tres Américas cada 15 minutos”, detalló Toledo Machado.

“Al asociar esta información con modelo desarrollado con base en el trabajo de Vieira Mattos, logramos caracterizar los perfiles de las nubes desde el punto de vista de su composición microfísica. Haciendo una analogía, es como si la combinación del modelo con el monitoreo del GOES 16 nos suministrase las tomografías de las nubes cada 15 minutos, informándonos sobre la composición de cada una de sus capas. Esta información es sumamente importante para el pronóstico numérico, el cual siempre parte de un estado inicial y lo hace evolucionar en el tiempo. Estamos hablando de nuevos modelos de pronóstico, muy diferentes a los que se han utilizado hasta ahora. Son modelos con una resolución de alrededor de un kilómetro, que permiten realizar el pronóstico del tiempo a la escala de barrios”, prosiguió el coordinador.

Los pronósticos rápidos y precisos constituyen una necesidad imperiosa en el marco del cambio climático global, donde los denominados eventos extremos tienden a ocurrir con una frecuencia cada vez mayor. La cantidad de relámpagos depende de la intensidad de las tormentas (corrientes ascendientes) y de la composición microfísica de las nubes (su tipo, el tamaño, la concentración del hielo, etc.), y puede variar de algunas decenas a miles. Sistemas de nubes de mesoescala, que se extienden horizontalmente a través de miles de kilómetros cuadrados, producen relámpagos de hasta 100 kilómetros de extensión en sus líneas centrales de propagación.

El 90% de los relámpagos se propaga únicamente en el interior de las nubes, y dicha propagación interna precede a las descargas en suelo. Por eso también un monitoreo prácticamente en tiempo real, como el que permite ahora el GOES 16, se vuelve sumamente relevante para la toma de decisiones de los organismos encargados de la defensa civil.