Los científicos utilizan rayos cósmicos para estudiar tornados y otras tormentas severas

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. Los radares meteorológicos permiten analizarlos desde la distancia.

Rayos cósmicos para estudiar tornados y otras tormentas severas

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 a casi la velocidad de la luz, estos hallazgos pueden actuar como otra herramienta para que los científicos obtengan una imagen más precisa de las condiciones meteorológicas subyacentes.

"Lo que ocurre con los muones atmosféricos es que son sensibles a las propiedades de la atmósfera por la que viajan", dijo 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, 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, como ayudar a los científicos a 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 supercelulares causan cambios muy leves en la cantidad, la dirección y la intensidad de estas partículas.

Para determinar esto, los investigadores aplicaron un modelo de nubes tridimensional que podía tener en cuenta múltiples variables, como el viento, la temperatura potencial, la lluvia, la nieve y el granizo. Luego, utilizando las observaciones atmosféricas recopiladas 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 revelaron que los muones efectivamente se ven afectados por el campo de presión dentro de los tornados, aunque se necesita más investigación para aprender más sobre el proceso.

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

Aun así, el tipo de detector de partículas muónicas 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 puedan estudiar tornados, dijo Luszczak, pero si se colocan en una región como Tornado Alley en Estados Unidos, los investigadores imaginan que el dispositivo podría complementar fácilmente las mediciones meteorológicas y barométricas típicas para la actividad tornádica.

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

El detector más pequeño que describen los investigadores en este artículo tiene 50 metros de diámetro, 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, su pequeño tamaño probablemente provocaría algunos errores en la recopilación de datos, dijo Luszczak.

A pesar de estos posibles contratiempos, como las tormentas supercelulares normalmente se forman y desaparecen en períodos cortos, el documento enfatiza que puede valer la pena que los científicos futuros consideren implementar un detector grande en algunas regiones, uno que probablemente sería una instalación estacionaria permanente para capturar tantos muones como sea posible durante eventos climáticos severos.

Más importante aún, debido a que los sistemas actuales de modelado meteorológico están directamente vinculados a cuándo y dónde se emiten alertas meteorológicas severas, el uso de rayos cósmicos para fortalecer 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 disponer de mejores mediciones de la atmósfera que rodea a un tornado, nuestro modelo mejora, lo que a su vez mejora la precisión de nuestras advertencias", afirmó Luszczak. "Este concepto es muy prometedor y es una idea realmente emocionante que intentar poner en práctica".

Referencia

William Luszczak et al, The Effect of Tornadic Supercell Thunderstorms on the Atmospheric Muon Flux, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2405.19311