Analysis of nighttime streamer corona discharges in storm clouds with ASIM data

Resumen

El objetivo de esta tesis doctoral es estudiar de forma exhaustiva las descargas eléctricas de tipo corona que tienen lugar en las nubes de tormenta. Las descargas corona se caracterizan, entre otras cosas, por emitir luz en el rango ultravioleta cercano y azul (280 - 450 nm). Es por esto por lo que se las ha llamado Blue LUminous Events (BLUEs). Esta tesis presenta la primera climatología nocturna de descargas de corona en las nubes de tormenta combinando dos años de datos de BLUEs recogidos por el instrumento MMIA de ASIM a bordo de la ISS (Neubert et al., 2019). La tesis se centra en, por un lado, investigar la física de los BLUEs, esto es, en descifrar su naturaleza y en determinar cuáles son los mecanismos que los producen. Por otra lado, se aborda el análisis detallado de la distribución geográfica y estacional de los BLUEs a partir de dos años de datos obtenidos por el Modular Multispectral Imaging Array (MMIA) del instrumento Atmosphere Space Interaction Monitor (ASIM) de la Agencia Espacial Europea (ESA) que fue lanzado al espacio el 18 de abril de 2018 y que está operativo en la Estación Espacial Internacional (ISS) desde entonces. MMIA está formado por tres fotómetros rápidos (100 kHz) y dos cámaras. Los fotómetros disponen de filtros interferenciales centrados en las longitudes de onda 337.0 nm (con una anchura de banda de 4 nm), 777.4 nm (con una anchura de banda de 5 nm) y un filtro ancho entre 180 nm y 230 nm. Las dos cámaras disponibles usan filtros centrados en 337.0 nm y 777.4 nm con las mismas características que los filtros de los fotómetros. La tesis doctoral se presenta como una colección de tres artículos científicos en los que soy primer autor. Estos artículos sobre electricidad atmosférica han sido publicados en revistas de alto impacto en el campo de las ciencias atmosféricas. Los artículos vienen precedidos por un ́índice de la tesis, un resumen (en español e ingles), una introducción, la motivación de los estudios realizados, una breve descripción de la metodología que se ha seguido y una descripción concisa de los BLUEs. En mi primer artículo (publicado en Journal of Geophysical Research - Atmospheres, 2020, y destacado por su editor) se describe la estructura de los BLUEs apoyándose en las observaciones de una tormenta registrada por ASIM el 14 de Mayo de 2019 sobre Indonesia. Los eventos fueron observados con el fotómetro 337.0 nm, sin actividad concurrente, o despreciable en el fotómetro centrado en la banda 777.4 nm (emisiones típicas de rayos). A través de mediciones de radio efectuadas desde el suelo, se concluyó que 7 de los 10 casos analizados correspondían a eventos bipolares estrechos positivos o positive narrow bipolar events (NBE) en inglés. Los NBEs se caracterizan por ser pulsos muy fuertes de radiofrecuencia (RF) con tres rasgos importantes: (1) su muy corta duración (apenas 20 microsegundos), (2) un aspecto bipolar (muy rápida subida y bajada de dos pulsos de radio de polaridad positiva y negativa o viceversa) de la forma de onda en el rango de frecuencias VLF / LF (10 - 400 kHz) y (3) por venir habitualmente seguidos de potentísimos estallidos de radiación VHF / HF (3 - 300 MHz). Los NBE detectados en el rango VLF / LF son por lo general diez veces más intensos que las emisiones de radio en el rango de alta frecuencia (HF) procedentes de rayos normales intranube o entre nubes. Además, observaciones recientes (2016 y 2017) parecen sugerir que los NBEs son el resultado de procesos muy rápidos de ruptura eléctrica del aire típicos de descargas eléctricas frías, esto es, aquellas que no calientan el aire circundante (al contrario que los rayos normales) y en las que la temperatura de los electrones ambientales alcanzan valores muy elevados de hasta 80000 ◦C (unos 7 eV [electrón voltios]). El hecho de que los electrones tengan una masa muy pequeña (2000 veces m ́as ligeros que el átomo m ́as liviano) impide que, aún siendo muy energéticos, puedan calentar el aire circundante. En este primer trabajo se desarrolló un nuevo y novedoso método para determinar la altura de los BLUEs en las nubes de tormenta a partir del análisis de sus señales ópticas. En particular, el método se basa en ajustar las curvas de luz captadas por el fotómetro centrado en 337.0 nm de MMIA a un modelo de difusión de luz en las nubes de tormenta. La altura obtenida concuerda bien con medidas realizadas con métodos basados en radio detección. La altitud a la que ocurren estos NBEs se sitúa aproximadamente entre 8.5 y 14 km. Las observaciones indican que los flashes azules con un solo pulso son originados por streamers (dardos de plasma de aire con fuerte ionización en la cabeza) que, como se ha mencionado, no calientan el aire, esto es, son descargas frías, la luz emitida por streamers es pues la manifestación óptica de dichos NBEs. Los hallazgos que se discuten en el primer trabajo nos llevaron a concluir que los NBEs positivos son descargas corona formadas por cientos de millones de streamers positivos (la cabeza del streamer transporta carga eléctrica positiva) que se forman en las nubes de tormenta y que los BLUEs son la manifestación óptica de dichos NBEs. Mi segundo artículo (publicado en Geophysical Research Letters, 2021), se centra en el análisis a nivel global de los pulsos azules observados en las nubes de tormenta, de- teniéndose en estudiar la relación de los BLUEs con los rayos, tanto anual como estacionalmente. Para ello se ha desarrollado y utilizado un novedoso algoritmo para poder filtrar la información en bruto de MMIA, y obtener sistemáticamente sólo la actividad de BLUEs excluyendo el resto de interacciones eléctricas en las nubes de tormenta. El resultado de este completo trabajo es la primera, y hasta ahora la única, climatología nocturna de BLUEs (coronas en nubes de tormenta) obtenida a partir de datos del instrumento MMIA de ASIM. En nuestra investigación se concluyó que, aproximada- mente, tienen lugar unos 11 BLUEs a nivel global cada segundo en la media noche local, y que el promedio de BLUEs en tierra / mar es de 7 a 4. Geográficamente, el pico de la distribución de BLUEs está localizado en una región al noroeste de Colombia. En esta distribución se muestran tres zonas principales de actividad eléctrica atmosférica: América, Europa/ Äfrica, y Asia/Australia. También se ha encontrado una zona de actividad eléctrica m ́as débil en el Pacífico. Mi tercer trabajo (publicado en Journal of Geophysical Research - Atmospheres, 2022) profundiza en los resultados del segundo, y se centra en distinguir distintos tipos de pulsos azules en función de la bondad de su ajuste con el ”first hitting model” ́o FHM (modelo de difusión de luz en las nubes) y en obtener sus principales características tales como densidad de potencia óptica (μW m−2) del máximo del pulso 337.0 nm, tiempo de subida del máximo, duración total, brillo, etc, con base al ajuste y a los datos en bruto. Además, también encontramos dos tipos de distribuciones globales de BLUEs, dependiendo de si se aplica (o no) un criterio extra al algoritmo del anterior trabajo en la anomalía magnética del Atlántico Sur (SAA). Este criterio adicional se incluye debido que se observó una clara sobre detección de rayos cósmicos con ASIM en la zona de la SAA. El criterio extra pretende limitar el número de rayos cósmicos detectados poniendo un l ́ımite en la duración de los eventos detectados en la SAA. Se estima que la cifra real de BLUEs se hallar ́a entre las dos distribuciones encontradas en este ́ultimo trabajo. El análisis de las características de los BLUEs nos indica que alrededor del 10% de los eventos son claramente BLUEs con un máximo claro. La mayoría de ellos tiene una densidad de potencia óptica por unidad de superficie de pico por debajo de 25 μW/m2, ocurren a una distancia de hasta 4 km por debajo del l ́ımite superior de la nube y están formados por cientos de millones de streamers (hasta 3 × 109).