TeslaWeather Blog: Consideraciones sobre ELTs o Descargas Super-Atmosféricas (Sprites, Jets, Elves...)

Sin darnos cuenta nos vamos metiendo en la temporada de tormentas y uno de los fenómenos vinculados a ellas, y que últimamente está despertando mi interés y el de otros fotógrafos así como de investigadores, son los Sprites.
La motivación de esta entrada es la de dar respuesta a algunas cuestiones sobre ELTs y su captura fotográfica. Poco a poco, según la experiencia que pueda ir acumulando, podré añadir, mejorar o rectificar alguno de los aspectos que expongo a continuación.

Definición

Es recomendable empezar por una definición general. Para ello me serviré de la Wikipedia: Descarga súper-atmosférica

Destello súper-atmosférico o descarga súper-atmosférica son términos a veces usados por investigadores para referirse a una familia de súbitos fenómenos eléctricos que ocurren bastante por encima de las altitudes de los destellos normales. El uso preferido y corriente es Efecto Luminoso Transitorio (ELT) para referirse a los varios tipos de fenómenos de descarga eléctrica en la atmósfera superior, que no poseen varias de las características de los más familiares destellos en la troposfera. Los ELTs incluyen extraños fenómenos rojos ('espectros' o 'elfos') o con forma de halos, y enormes chorros azules.

No estoy muy de acuerdo con la denominación de ELT (TLE - Transient Luminous Event en inglés) ya que es algo que sólo se refiere a un evento luminoso cuando en realidad estamos ante un evento que se desencadena por un rápido movimiento de cargas eléctricas y partículas de alta energía. La luminosidad percibida se debe a la excitación de la materia (gases) a causa de la circulación próxima de partículas cargadas de la energía que les proporciona la tormenta. Asi pues, ELT podría ser cualquier cosa que implique luz en un tiempo determinado, por ejemplo un faro o una baliza de un generador eólico o el intermitente de un vehículo, cosas que poco tienen que ver con algo que relaciona la descarga de energía en una región determinada de la atmósfera. En cambio, descarga súper-atmosférica describe mucho mejor la naturaleza del suceso y el lugar dónde se desarrolla.

Descubrimiento e inicios

En la década del 20's del siglo XX, el físico escocés C.T.R.Wilson predijo que súbitos fenómenos eléctricos debían ocurrir en la atmósfera muy por encima de las tormentas. En subsecuentes décadas, descargas de alta altitud fueron reportadas por pilotos y subestimadas por los meteorólogos hasta que la primera evidencia visual directa fue documentada el 6 de julio de 1989 por científicos de la Universidad de Minesota. Varios años después, los registros ópticos de estos eventos fueron llamados 'espectros' por investigadores en la Universidad de Alaska para evitar la implicancia de propiedades físicas que eran, en ese momento, todavía desconocidas. Los términos espectros rojos y chorros azules después que un video-clip circulara seguido de una campaña aérea de investigación para estudiar los 'espectros' en 1994.

Dice la "leyenda" que durante la primera guerra mundial algunos pilotos ya habían observado este tipo de fenómenos pero ante el miedo a que se interpretase como alucinaciones, cosa que hubiera implicado la revisión de sus aptitudes e incluso la suspensión del permiso para pilotar, todos ellos guardaban silencio o sólo lo comentaban con el entorno más próximo. Yo llamaría a este hecho pérdida de información por prejuicio de diagnóstico clínico. Por este motivo ha costado tanto reunir las experiencias suficientes que despertasen la curiosidad científica. Quizá fue un rumor de alguno de estos pilotos lo que llevó a C.T.R.Wilson a sus primeras especulaciones pero el verdadero retraso en la obtención de evidencias de este fenómeno lo atribuyo fundamentalmente a una cuestión tecnológica.

Tipos y características

Dentro de la familia de descargas Súper-Atmosféricas hay varios integrantes. La imagen conceptual más completa que conozco pertenece a Frankie Lucena:

Aunque los tipos más conocidos y documentados son los Blue Jets y sobre todo los Red Sprites, cuanto más se investiga más distinciones o matices se encuentran entre algunos de estos fenómenos. Es por ello que la clasificación se ha ido ampliando en recientes estudios. Hay que tener en cuenta que es un tema en el que hay mucho camino por andar y por lo tanto estas clasificaciones pueden variar en muchos sentidos.

A continuación se exponen las descripciones de los distintos tipos de Descargas Súper-Atmosféricas según el autor de la imagen anterior en http://spaceweathergallery.com/ con la ayuda de Oscar Van Der Velde, uno de los mayores investigadores en la materia, bien conocido por ser uno de los principales predictores de ESTOFEX y por los mapas convectivos de su web Lightningwizard.

Sprites: Se inician entre 65 y 85 km de altitud y por lo general son provocados por un rayo positivo nube-tierra. Los streamers primero crecen hacia abajo y luego hacia arriba antes de desaparecer. Son principalmente de color rojo pero a medida que crecen hacia abajo sufren una transición a púrpura y luego a azul.

Halos: Por lo general son provocados por el impacto de un rayo positivo nube-tierra, como los sprites, y a veces aparecerá junto con éstos. Se inician en torno a 80 - 85 KM y se suelen ver como una nube en forma de óvalo rojo.

Trolls: Se producen durante los eventos de sprites de larga duración con actividad eléctrica en curso en la nube y continuos impactos CG positivos. Es difícil vincularlos a un rayo especial de nube a tierra. Son principalmente de color púrpura como los tentáculos de un sprite y harán la transición a azul en su parte inferior.

Elves: Son un pulso electromagnético que se origina al mismo tiempo que la caída de rayos nube-tierra. Proyectan un anillo de luz roja ya que los electrones en la base de la ionosfera excitan las moléculas de nitrógeno. Por lo general aparecen a unos 90 km de altitud y se consideran el tipo más común de Transient Luminous Event.

Blue Starters: Un blue starter es una descarga eléctrica que se inicia bajo la capa de apantallamiento en la parte superior de la nube. Comienzan como un canal de blanco elevándose desde la cima de la nube con transición rápidamente a una forma de inflorescencia plumosa azul a medida que viaja hacia arriba a unos 26 km de altitud. El canal blanco se ve raramente porque están normalmente ocultos por la nube.

Blue Jets: A menudo están vinculados a la eliminación de carga tras un rayo negativo de nube a tierra. Se inician bajo la capa de apantallamiento en la cima de la nube y empiezan como un canal de color blanco brillante que se levanta de la parte superior de la nube de tormenta con transición rápidamente a un penacho en forma de cono azul a medida que viaja hacia arriba, a unos 40 Km de altitud. El canal blanco raramente es visible porque a menudo están ocultas por la nube.

Gigantic Jets: A diferencia de los Blue Jets y Blue Starters, un Gigantic Jet se inicia en medio de la nube de tormenta. Comienzan como un canal de color blanco brillante levantándose de la cima de la nube con una rápida transición a azul y luego a rojo a medida que asciende a 80 a 90 Km de altitud. Por lo general son precedidos por múltiples rayo negativo nube-tierra y suelen aparecer durante un vacío en la actividad de relámpagos.

Actualidad

En la actualidad varios grupos de investigación así como aficionados y profesionales por cuenta propia dedican tiempo y medios a intentar aportar más documentación técnica y visual de este tipo de fenómenos.

Uno de los grupos más activos en esta cuestión es el International Observers of Upper-Atmospheric Electric Phenomena de facebook. Hay una gran cantidad de imágenes y secuencias grabadas con cámaras de alta velocidad. Además hay debates muy enriquecedores en algunos de los temas abiertos.

Con anterioridad se intentó impulsar un proyecto cooperativo de ámbito europeo que pretendía reunir imágenes y experiencias relacionadas con estos fenómenos. Desgraciadamente llevan un par de años sin actividad aunque el material y las experiencias que han quedado en su blog siguen siendo de gran interés. Eurosprite.

En el ámbito de la investigación son sobre todo las universidades las que destinan medios a investigar este tipo de fenómenos. La empresa privada se mantiene al margen puesto que no parece que un conocimiento más profundo de esta materia sea capaz de generar ingresos en el futuro.

A destacar alguno de los grupos de investigación de universidades. El Langmuir Laboratory for Atmospheric Research en Nuevo México consiguió una de las imágenes de sprites en color más detallada jamás obtenida desde tierra.

Mención especial también para el Lightning Research Group de la Universidad Politécnica de Cataluña, puntero en cuanto a las investigaciones que llevan a cabo en todo lo relacionado con las descargas atmosféricas y que además cuenta con el meteorólogo Oscar Van der Velde cuya dedicación y experiencia le sitúan en la cima del conocimiento de esta incipiente ciencia.

Además, el LRG colabora en la misión ASIM (Atmosfere Space Interaction Monitor) con la aprobación de la Agencia Espacial Europea cuyo objetivo es el estudio de los ELTs mediante instrumentos instalados en la Estación Espacial Internacional. Este proyecto, encabezado por el Centro Espacial Nacional de Dinamarca, cuenta con la colaboración del CSIC, Instituto de Astrofísica de Andalucía, Instituto nacional de Técnica Aeroespacial, Universidad de Valencia, Universidad rey Juan Carlos, Universidad Politécnica de Cataluña, Universidad de Bergen y las Universidades de Ferrara y Bolonia.
Este estudio mejorará la comprensión de estos fenómenos y su vinculación con los TGFs (Terrestial Gamma-ray Flashes) o Destellos de rayos Gamma Terrestres. Actualmente se desconoce el motivo por el cual estos destellos pueden producirse no solo en tormentas muy desarrolladas sino también en aquellas de menor intensidad.

Observación y Captura de Descargas Súper-Atmosfericas (Experiencias)

Uno de los aspectos más importantes para documentar fenómenos de esta naturaleza son las imágenes. Debido a la duración extremadamente corta de éstos y a que su luminosidad es muy baja ha habido que esperar a que la tecnología avanzase lo suficiente para hacer posible su captura.

Básicamente hay dos tipos de captura posible. Video en alta velocidad o imágenes. No voy a entrar en detalles técnicos de operación de equipos de alta velocidad ni de fotografía convencional pero creo que pueden ser de interés algunas reflexiones que he hecho tras las experiencias en las que he podido ver o capturar este fenómeno.

A raíz de la última captura de Sprites que logré, (Primera caza en Teruel y Sprites sobre Madrid, 21-22 de agosto 2015) y en respuesta a algunas cuestiones que se me plantearon, hice el siguiente texto que ha sido mínimamente modificado para la ocasión.

La imagen obtenida en aquella ocasión:

Esto de los Sprites empezaba a verlo muy cuesta arriba porque ya eran muchos intentos sin resultados. De hecho tuve una oportunidad muy buena hace un par de semanas pero cansado de fracasos preferí intentar llegar a la tormenta que estaba a unos 140km y alejándose, y fue un desastre. Ahora sigo sin verlos a simple vista, excepto una noche hace 2 años, pero al menos ya empiezo a corroborar ciertas cosas que había leído.

- Es más fácil ver Sprites durante el inicio de la fase de colapso de la tormenta. ¿Cómo saberlo a distancia? Yo diría que cuando las descargas, audibles por AM, empiezan a ser más espaciadas y se observan algunos destellos excepcionalmente brillantes.

- Los Sprites aparecen desplazados de la zona de las corrientes ascendentes, sobre el yunque, y tampoco coinciden con el momento en que se produce una descarga. Pueden llegar a caer varios segundos después. Hay quién utiliza la técnica de fotografiarlos esperando a ver una descarga potente y después disparando en ráfaga hasta que se llena el buffer.

- También he leído que hay una correlación entre el tiempo que transcurre desde la descarga normal hasta que se produce el Sprite. Lo que yo he podido comprobar es que en 2 de las 3 imágenes donde he identificado Sprites, la diferencia entre la descarga muy brillante y la aparición de los Sprites es de entre 20 y 40 segundos. Podría afinar más, pero ya sería algo subjetivo. Desconozco si este desfase es siempre igual o depende de cada tormenta o incluso de cada Sprite. En el caso de la otra imagen que obtuve no he encontrado antecedente de descarga potente pero perfectamente se podría haber producido en el medio segundo que va desde que termina una exposición hasta que empieza la siguiente. De la misma forma, hay otras descargas muy brillantes que no muestran Sprites en posteriores archivos y el motivo podría ser el mismo, o simplemente que en ese caso no se produjeron.

El tema es no dejarlo aquí. Ya tenía entre manos un proyecto para preparar una cámara específica para este tipo de imágenes. Sólo hay que buscar alguna vieja réflex digital, una 400d por ejemplo (que se puede encontrar por unos 100€ o menos) y retirarle el filtro IR que lleva para ajustar los colores al espectro de visión del ojo humano. Los Sprites emiten casi toda su luz en el infrarrojo y parte en el rojo visible. Con las cámaras normales sólo la parte del rojo visible llega al sensor pese a que éste es capaz de registrar longitudes de onda más amplias.

Además hay que añadir que la configuración óptica debe ser muy rápida. Cuanto mayor sea la apertura más brillo se obtendrá de los Sprites. Yo he utilizado f2.8 pero lo ideal sería trabajar a f1.4 o inferior. Pero claro, el precio se dispara y al final la única alternativa es tirar de ISOS altas. En este caso tuve que tirar a iso3200 pero el ruido después me ha dado mucho trabajo. De hecho, en la ampliación está al 100% de reducción de ruido.

Y sobre la distancia, yo estaba a unos 140km en línea recta de la tormenta. Hay quien recomienda estar más cerca, a unos 50-80km, ya que a menor distancia el brillo es mayor. El problema es que a veces esa zona próxima está invadida de nubosidad media y baja. Más de 150km también me parece excesivo aunque con una atmósfera transparente y algo de zoom no sería extraño obtener buenos resultados.

Otro factor es la contaminación lumínica. Teniendo en cuenta que vamos buscando la máxima entrada de luz en el sensor, si nos encontramos en sitios iluminados o tenemos luces de núcleos de población en dirección a la tormenta nos veremos obligados a disparar exposiciones por debajo de 1seg y aun así las imágenes nos quedarán muy sobreexpuestas.

Sobre la distancia entre el tope de las nubes y los Sprites supongo que por una parte es cuestión de la perspectiva, o lo que es lo mismo, de la distancia a la tormenta y la altura del observador. También hay que reconocer que mi cámara no da más de sí y parte de los filamentos que hay por debajo y por encima de la zona más brillante no son perceptibles en la imagen. En otras puede parecer que hay menos distancia precisamente porque esa parte inferior del Sprite sí que es visible.

Ahí están todas las claves que conozco para intentar capturar Sprites. Ahora falta mejorar el resultado, obtener más detalle, más luminosidad y tampoco estaría mal si alguna vez cae un jet, un elfo,... o dos.