Análisis de la actividad de rayos y de tormentas relacionadas con la producción de rayos gamma terrestres

Abstract

Terrestrial Gamma ray Flashes (TGFs) have been known since 20 years ago, but since the first moment of the discovery it was clear that they were related to lightning and thunderstorms. The latest studies revealed that TGFs could be produced during the first stages of the lightning within thunderclouds by a process which is very similar to the X-ray emissions from natural lightning observed from ground or discharges in high voltage laboratory. The study of such phenomena will help to extend and complete the knowledge about lightning and electrical discharges. This study compares geographic, monthly and diurnal cycle global distributions of TGFs and lightning. A fourth region with enhanced production of TGFs has been identified apart from the other three regions previously identified. This analysis further investigates the relation between TGFs, lightning activity and thunderstorms. Moreover, we have seen that the TGF/lightning ratio is different in each region which could be explained by meteorological differences between regions and not by differences in regional lightning detection efficiency. For the first time, meteorological conditions and lightning activity have been compared among situations where a satellite with capability to detect TGFs did or did not detect them. The objective is to identify the best atmospheric conditions for TGF production. We have established that electrification processes associated with strong updrafts and high CAPE values are important to create the best atmospheric conditions that favours TGF generation. In the second part of the study we defined criteria for the TGF/lightning correlation in time. Using these criteria we have identified 90 correlations in South America. Depending on the time difference between TGF and lightning the correlations have been grouped into different categories. For each category the relation between TGF and lightning was justified based on examples of upward propagation of negative leaders detected by a VHF lightning mapping network, consistent with the currently most accepted production theories. We were able to identify associated thunderstorms in 32 of 90 correlation cases. We have analysed the thunderstorm development stage at the moment of TGF production, the vertical extent and areal extent. It was found that analysed thunderstorms shows preferences for TGF production during developing or mature stages and great vertical extension what agrees with situations with strong updrafts and high CAPE values determined in the first part of the study. The last part presents an analysis of the association between X-ray events and lightning registered at the Eagle Nest Tower in the Pyrenees. We have determined that downward negative lightning seems to be the only candidate for x-ray emissions. The theories that support this hypothesis could also explain TGF production, specifically, as in examples of upward negative leaders shown in the previous section. We have also studied whether the high energy background radiation increased in association with thunderstorm electrification. However, in the cases analysed this increase has been associated with radon-ion daughters.

Las emisiones de rayos gamma terrestres (TGFs) se conocen desde hace apenas 20 años, pero desde el primer momento se vio claramente su relación con los rayos y tormentas. Los últimos estudios revelan que se podrían producir durante las primeras fases de los rayos en el interior de las nubes por un proceso que sería muy similar a la emisión de rayos X por rayos naturales observados desde suelo o por descargas en el laboratorio de alta tensión. El estudio de estos fenómenos ayudará a ampliar y completar los conocimientos sobre el fenómeno del rayo y de las descargas eléctricas. En primer lugar se han comparado las distribuciones globales geográficas, mensuales y el ciclo diurno de TGFs y rayos. Se ha identificado una cuarta región de producción de TGFs a parte de las tres ya identificadas previamente. Con este análisis se ha contribuido principalmente a la confirmación de las correlaciones de los TGFs con la actividad de rayos y tormentas. Además, se ha visto que las ratios de TGF/rayo varían en las distintas regiones con lo que es probable que se pueda explicar por las diferencias meteorológicas entre ellas y no por diferencias regionales en la eficiencia de detección de rayos. Por primera vez se han analizado las condiciones meteorológicas y actividad de rayos en aquellas situaciones en que un satélite con capacidad para detectar TGFs no los detectaba y se han comparado con aquellas situaciones en que si se detectaron. El objetivo es el de distinguir las mejores condiciones atmosféricas para su producción. Se ha determinado que los procesos de electrificación asociados a fuertes corrientes ascendentes y altos valores de CAPE son importantes para crear las mejores condiciones atmosféricas que favorecen la generación de TGFs. En la segunda parte se definido un criterio para la correlación temporal entre rayos y TGFs. Con este criterio se han identificado un total de 90 correlaciones en Sudamérica. En función de la diferencia temporal entre el rayo y el TGF se han agrupado en distintas categorías. Para cada una de ellas se ha intentado justificar la relación entre el TGF y el rayo en base a ejemplos de rayos detectados por una red VHF y a las teorías de producción más aceptadas hasta la fecha. De 32 de estos casos de correlación se ha podido identificar y analizar la tormenta asociada. Se ha analizado la fase de desarrollo de la tormenta en el momento de la producción del TGF, la extensión vertical y la extensión horizontal. Se ha visto que las tormentas analizadas muestran una preferencia para la producción de TGFs en las fases de desarrollo o madurez y de gran extensión vertical que concuerda con situaciones de fuertes corrientes ascendentes y altos valores de CAPE determinados en el estudio previo. En la última parte se ha analizado eventos registrados en la torre instrumentalizada del Nido del Águila en los Pirineos. Estos eventos corresponden a rayos naturales y radiación X. Se ha determinado que los líderes negativos parecen ser los únicos candidatos para la emisión de rayos X. Las teorías que soportan esta hipótesis podrías explicar la producción de TGFs y, en concreto, los casos reportados en el estudio anterior. Se ha estudiado también si el aumento de la radiación de fondo de alta energía está asociado a la posible electrificación de las tormentas. En el caso analizado se ha asociado este aumento con los descendientes radiactivos de la cadena de desintegración del radón