Resuelto el misterio de los rayos: una avalancha de electrones es la chispa que lo inicia todo
¿Cómo comienza un rayo? Un nuevo modelo explica cómo los rayos se inician por una avalancha de electrones acelerados en el aire, resolviendo un enigma centenario sobre los relámpagos y los flashes de rayos gamma invisibles.
Fuente: ChatGPT / E. F.
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
Creado: 31.07.2025
No hace falta una gran tormenta para que la atmósfera se vuelva inquieta. A veces, basta con el zumbido lejano de un trueno o ese instante en que el cielo se oscurece de forma repentina para que surja una pregunta que muchos se han hecho: ¿cómo comienza un rayo? Aunque parezca mentira, hasta hace poco la ciencia no tenía una respuesta clara. Se conocían los ingredientes —nubes cargadas, campos eléctricos intensos, partículas energéticas—, pero no se entendía cómo se conectaban entre sí para desencadenar uno de los fenómenos más potentes y fugaces de la naturaleza.
Un nuevo estudio publicado en Journal of Geophysical Research: Atmospheres acaba de ofrecer una explicación detallada y cuantitativa a este enigma. El trabajo, liderado por el profesor Victor P. Pasko de Penn State y realizado en colaboración con centros de investigación de Francia, Dinamarca, República Checa y la NASA, propone un modelo basado en una poderosa reacción en cadena de electrones acelerados. Gracias a simulaciones computacionales de alta precisión, los autores demuestran que una cascada de electrones relativistas, generada por el efecto fotoeléctrico en el aire, es capaz de iniciar un rayo incluso en condiciones aparentemente silenciosas.
El efecto fotoeléctrico, en el corazón de la tormenta
El modelo propuesto en este estudio se basa en un fenómeno bien conocido de la física: el efecto fotoeléctrico, por el cual una partícula de luz (fotón) es capaz de arrancar un electrón de un átomo. En las condiciones extremas que se dan dentro de algunas nubes de tormenta, los campos eléctricos son lo bastante intensos como para acelerar electrones hasta velocidades cercanas a la luz. Estos electrones chocan contra átomos de nitrógeno y oxígeno, generando rayos X y otras partículas que, a su vez, liberan más electrones.
Lo que destaca este estudio es que esta cadena de sucesos se amplifica gracias al efecto fotoeléctrico, permitiendo que se produzca una “avalancha” de electrones en un espacio muy reducido y en fracciones de segundo. Esta acumulación de partículas cargadas genera finalmente una descarga eléctrica intensa: el primer paso de un rayo.
Según explican los autores, este proceso “no impone restricciones sobre la densidad ni el origen físico de los electrones iniciales”, lo que significa que incluso una pequeña semilla de energía —como un electrón solitario originado por un rayo cósmico— puede desencadenar todo el fenómeno.
Fuente: ChatGPT / E. F.Tormentas invisibles: cuando no hay luz ni sonido
Uno de los hallazgos más sorprendentes del estudio tiene que ver con los flashes de rayos gamma terrestres (TGFs). Estos breves estallidos de radiación de alta energía habían desconcertado a los científicos porque muchas veces se detectaban sin que se produjera un rayo visible ni una señal de radio típica. ¿Cómo era posible que algo tan energético surgiera sin “ruido”?
Las simulaciones realizadas por el equipo de Pasko ofrecen una explicación clara. Como señalan, los rayos gamma pueden generarse en regiones muy pequeñas de la nube, donde el proceso de avalancha ocurre, pero sin producir descargas visibles. “Este proceso puede dar lugar a niveles detectables de rayos X, aunque acompañados de emisiones ópticas y de radio muy débiles”. En otras palabras: puede haber una tormenta energética en el cielo que los ojos humanos y los radares apenas perciben.
Esta observación ayuda a entender por qué algunos rayos gamma no se asocian con fenómenos ópticos evidentes: la física que los origina es más sutil y rápida de lo que se pensaba.
No todo lo que creemos tiene base real, aunque lo hayamos oído toda la vida. Representación artística. Fuente: Sora / Edgary R.
Un modelo que lo conecta todo
El núcleo del trabajo es el desarrollo y validación del modelo Photoelectric Feedback Discharge. Este modelo reproduce con gran detalle los pasos físicos que ocurren dentro de una nube cuando se forma un rayo, incluyendo el comportamiento de los electrones, los campos eléctricos, la formación de rayos gamma y las ondas electromagnéticas asociadas.
Una de las contribuciones más importantes del estudio es que este mecanismo puede explicar varios fenómenos atmosféricos simultáneamente: desde los pulsos de inicio de una descarga (IBPs) y los eventos bipolares estrechos (NBEs) hasta los pulsos energéticos dentro de nubes (EIPs) y los rayos gamma terrestres (TGFs) .
El modelo no solo es coherente con observaciones previas en tierra y desde satélites, sino que además permite prever cómo se comportarán estos fenómenos a distintas altitudes, gracias a lo que los autores llaman leyes de similitud. Estas leyes ajustan las variables físicas del modelo según la densidad del aire, que varía con la altitud, y explican por qué ciertos eventos son más intensos o más duraderos en distintos niveles de la atmósfera .
Esquema de funcionamiento del efecto fotoeléctrico. Fuente: WikipediaUna inteligencia artificial... sin llamarla así
Aunque el artículo no utiliza el término "inteligencia artificial", lo que describe es, de hecho, un sistema de simulación capaz de reproducir condiciones reales de forma autónoma y precisa. El modelo incorpora algoritmos numéricos complejos, ajustados con datos empíricos, para predecir cómo se comportan los electrones en presencia de campos eléctricos naturales.
Este tipo de modelado computacional, basado en física de alta energía y técnicas de simulación, puede considerarse una forma de inteligencia artificial científica. El sistema analiza millones de posibles trayectorias de partículas y evalúa cómo evolucionan las condiciones dentro de una nube en milésimas de segundo. Según explicó el investigador Zaid Pervez en la nota de prensa, “comparamos nuestros resultados con observaciones previas y con mis propios estudios sobre descargas compactas dentro de nubes”, lo que demuestra el poder predictivo del modelo.
Gracias a esta aproximación, el estudio logró reproducir fenómenos observados por satélites, aviones a gran altitud y sensores terrestres, consolidando una teoría que llevaba años sin resolver.
Un nuevo camino en la investigación
Este estudio marca un punto de inflexión en la comprensión de los rayos. Hasta ahora, se pensaba que la formación de un rayo requería condiciones muy específicas y visibles: una acumulación de carga detectable, una señal electromagnética intensa o un inicio claramente observable. Pero este trabajo demuestra que el proceso puede ser mucho más sutil, rápido y localizado.
Además, al identificar el papel clave del efecto fotoeléctrico en el aire, el estudio abre nuevas vías para explorar cómo se comporta la atmósfera en situaciones de alto voltaje, no solo en la Tierra, sino también en otros planetas con atmósfera densa. La física detrás de los rayos puede ser universal, y este modelo ofrece una herramienta útil para aplicarla en otros contextos.
Finalmente, la posibilidad de que un solo electrón acelerado —quizá producto de un rayo cósmico— pueda encender una tormenta nos recuerda que la naturaleza funciona con precisión extrema. A veces, el detonante más minúsculo puede activar una reacción de proporciones colosales.
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Referencias
Pasko, V. P., Celestin, S., Bourdon, A., Janalizadeh, R., Pervez, Z., Jansky, J., & Gourbin, P. (2025). Photoelectric Effect in Air Explains Lightning Initiation and Terrestrial Gamma Ray Flashes. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 130, e2025JD043897. https://doi.org/10.1029/2025JD043897.
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