MADRID 20 Nov. (EUROPA PRESS) -
Utilizar láseres como pinzas para comprender la electrificación de las nubes puede parecer ciencia ficción, pero en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) es una realidad. Al atrapar y cargar partículas de tamaño micrométrico con láseres, los investigadores ahora pueden observar su dinámica de carga y descarga a lo largo del tiempo. Este método, publicado en 'Physical Review Letters', podría proporcionar información clave sobre qué origina los rayos.
Los aerosoles son partículas líquidas o sólidas que flotan en el aire. Nos rodean por todas partes. Algunos son grandes y visibles, como el polen en primavera, mientras que otros, como los virus que se propagan durante la temporada de gripe, no se pueden detectar a simple vista. Incluso podemos saborear algunos, como los cristales de sal que inhalamos en la playa.
La estudiante de doctorado Andrea Stöllner, miembro de los grupos de Waitukaitis y Muller en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA), centra su investigación en los cristales de hielo dentro de las nubes. Esta científica austriaca utiliza aerosoles modelo -pequeñas partículas de sílice transparentes- para explorar cómo se acumulan estos cristales de hielo y cómo interactúan con la carga eléctrica.
Stöllner, junto con el ex investigador postdoctoral del ISTA, Isaac Lenton, el profesor adjunto del ISTA, Scott Waitukaitis, y otros, ha desarrollado un método para capturar, sujetar y cargar eléctricamente una sola partícula de sílice mediante dos haces láser. Este enfoque tiene potencial para aplicarse en diversas áreas, incluyendo la explicación de cómo se electrifican las nubes y qué origina los rayos.
Andrea Stöllner está de pie frente a un gran escritorio cubierto de brillantes dispositivos metálicos. Rayos láser verdes atraviesan el espacio, rebotando en una serie de pequeños espejos. Un sonido sibilante proviene de la mesa, como el del aire escapando de un neumático. "Es una mesa antivibración", explica Stöllner, destacando su papel crucial en la absorción de las vibraciones de la sala y del equipo cercano, algo esencial para el trabajo de precisión con láseres.
Los haces zigzaguean a lo largo de una especie de circuito de obstáculos, convergiendo finalmente en dos corrientes que se canalizan hacia un contenedor. Allí, los dos haces se encuentran y crean una 'trampa' donde diminutos objetos son sujetados firmemente solo por la luz, actuando como 'pinzas ópticas'. Dentro de esta caja mágica, las partículas pasan junto a estas pinzas. De repente, aparece un destello verde, señal de éxito: una partícula de aerosol perfectamente redonda y de un verde brillante ha sido capturada y sujeta con fuerza por las pinzas.
Stöllner tardó casi cuatro años en perfeccionar el experimento hasta el punto de poder proporcionar datos fiables, partiendo de una versión anterior del montaje desarrollada por su antiguo colega de ISTA, Lenton. "Originalmente, nuestro montaje estaba diseñado para contener una sola partícula, analizar su carga y determinar cómo la humedad la modifica", explica Stöllner. "Pero nunca habíamos llegado tan lejos. Descubrimos que el láser que utilizamos carga nuestras partículas de aerosol".
La científica y sus colegas descubrieron que los láseres cargan la partícula mediante un "proceso de dos fotones". Por lo general, las partículas de aerosol tienen una carga casi neutra, con electrones (entidades con carga negativa) orbitando en cada átomo de la partícula. Los haces láser constan de fotones (partículas de luz que viajan a la velocidad de la luz), y cuando dos de estos fotones se absorben simultáneamente, pueden expulsar un electrón de la partícula. De esta manera, la partícula adquiere una carga positiva elemental. Progresivamente, su carga positiva aumenta progresivamente.
Para Stöllner, descubrir este mecanismo es un hallazgo emocionante que puede aprovechar en su investigación. "Ahora podemos observar con precisión la evolución de una partícula de aerosol a medida que se carga desde neutra hasta altamente cargada y ajustar la potencia del láser para controlar la velocidad".
Esta observación también revela que, a medida que la partícula se carga positivamente, comienza a descargarse, lo que significa que ocasionalmente libera carga en ráfagas espontáneas.
Las nubes de tormenta contienen cristales de hielo y bolitas de hielo más grandes. Cuando estas chocan, intercambian cargas eléctricas. Finalmente, la nube se carga tanto que se forma un rayo. Una teoría sugiere que la primera chispa de un rayo podría originarse en los propios cristales de hielo cargados. Sin embargo, la ciencia exacta detrás de la formación de los rayos sigue siendo un misterio. Otras teorías sugieren que los rayos cósmicos inician el proceso, ya que las partículas cargadas que crean se aceleran a partir de campos eléctricos preexistentes. Según Stöllner, sin embargo, la opinión actual de la comunidad científica es que, en cualquier caso, el campo eléctrico en las nubes parece demasiado débil para causar rayos.
"Nuestro nuevo sistema nos permite explorar la teoría de los cristales de hielo examinando de cerca la dinámica de carga de una partícula a lo largo del tiempo", explica Stöllner. Si bien los cristales de hielo en las nubes son mucho más grandes que los del modelo, los científicos del ISTA ahora buscan descifrar estas interacciones a microescala para comprender mejor el panorama general. "Nuestros cristales de hielo modelo muestran descargas, y tal vez haya algo más. Imaginen si, con el tiempo, crean diminutas chispas de relámpagos; sería increíble", finaliza Stöllner.