Los rayos cósmicos, nueva herramienta para estudiar los tornados

Un nuevo estudio sugiere que los rayos cósmicos pueden ofrecer a los científicos otra forma de rastrear y estudiar tornados violentos y otros fenómenos meteorológicos severos.

Al combinar datos meteorológicos locales con complejas simulaciones astrofísicas, los investigadores exploraron si un dispositivo que normalmente detecta partículas de alta energía llamadas muones podría usarse para medir de forma remota las tormentas supercelulares que producen tornados.

La instrumentación convencional para rastrear tornados se basa en mediciones realizadas con tecnologías como drones o globos meteorológicos, pero esos métodos a menudo requieren que los humanos se acerquen peligrosamente a la trayectoria de una tormenta que se aproxima.

Sin embargo, al estudiar cómo estas tormentas afectan a los muones, que son más pesados que los electrones y viajan a través de la materia casi a la velocidad de la luz, estos hallazgos pueden actuar como otra herramienta para que los científicos obtengan una imagen más precisa de las condiciones climáticas subyacentes.

"Lo que pasa con los muones atmosféricos es que son sensibles a las propiedades de la atmósfera por la que viajan", dijo en un comunicado William Luszczak, autor principal del estudio y miembro del Centro de Cosmología y Física de Astropartículas de la Universidad Estatal de Ohio.

"Si tienes un grupo de muones que viajaron a través de una tormenta eléctrica, la cantidad que vas a medir en el otro lado es diferente a la de un conjunto de muones que viajaron a través de un día bonito".

El estudio está publicado en el servidor de preimpresión arXiv.

En comparación con otras partículas cósmicas, los muones tienen muchas aplicaciones únicas en el mundo real, incluida la ayuda a los científicos para observar el interior de objetos grandes y densos como las pirámides o detectar material nuclear peligroso. Ahora, las simulaciones de Luszczak en este artículo implican que las tormentas eléctricas supercelulares causan cambios muy leves en el número, la dirección y la intensidad de estas partículas.

Para determinar esto, los investigadores aplicaron un modelo de nubes tridimensional que podría dar cuenta de múltiples variables, incluido el viento, la temperatura potencial, la lluvia, la nieve y el granizo. Luego, utilizando las observaciones atmosféricas obtenidas de la supercélula de 2011 que pasó por El Reno, Oklahoma, y generó un brote de tornados, Luszczak aplicó esa información para medir las variaciones en la presión del aire en la región alrededor de una tormenta simulada en el lapso de una hora.

En general, sus resultados encontraron que los muones se ven efectivamente afectados por el campo de presión dentro de los tornados, aunque se necesita más investigación para aprender más sobre el proceso.

En términos de cómo de bien podría funcionar en el campo, el concepto es especialmente atractivo, ya que utilizar muones para predecir y analizar patrones climáticos futuros también significaría que los científicos no necesariamente tendrían que tratar de colocar instrumentos muy cerca de un tornado para obtener estas mediciones de presión, dijo Luszczak.

El tamaño del detector importa

Aún así, el tipo de detector de partículas de muones que el artículo de Luszczak considera es mucho más pequeño que otros proyectos de rayos cósmicos más conocidos, como el Observatorio Pierre Auger en Argentina y el Telescope Array de la Universidad de Utah.

Desafortunadamente, estos detectores no se encuentran en lugares donde se puedan estudiar tornados, dijo Luszczak, pero si se colocan en una región como Tornado Alley en los Estados Unidos, los investigadores imaginan que el dispositivo podría complementar fácilmente las mediciones meteorológicas y barométricas típicas para la actividad de tornados.

Dicho esto, el tamaño del dispositivo también influye en la precisión de sus mediciones, ya que al aumentar su tamaño se mejora la cantidad de partículas que puede detectar, dijo Luszczak.

El detector más pequeño que los investigadores describen en este artículo tiene 50 metros de ancho, o aproximadamente el tamaño de cinco autobuses. Pero si bien una herramienta de este tipo sería lo suficientemente portátil como para garantizar que los científicos pudieran colocarla cerca de muchos tipos diferentes de sistemas de tormentas, al ser tan pequeña probablemente enfrentaría algunos errores en la recopilación de datos, dijo Luszczak.

A pesar de estos posibles contratiempos, como las tormentas supercelulares suelen formarse y desaparecer en períodos cortos, el artículo destaca que puede que valga la pena que los científicos del futuro consideren la posibilidad de implementar un gran detector en algunas regiones, que probablemente sería un establecimiento estacionario permanente para captar la mayor cantidad posible de muones durante fenómenos meteorológicos severos.

Más importante aún, debido a que los sistemas actuales de modelado meteorológico están directamente vinculados a cuándo y dónde se emiten las alertas de clima severo, el uso de rayos cósmicos para reforzar esos modelos daría al público una idea más detallada de los diversos giros y vueltas de una tormenta, así como más tiempo para prepararse para el fenómeno.

"Al tener mejores mediciones de la atmósfera que rodea a un tornado, nuestro modelado mejora, lo que a su vez mejora la precisión de nuestras advertencias", dijo Luszczak. "Este concepto es muy prometedor y es una idea realmente emocionante para intentar poner en práctica".