Paleo relámpago

El término paleorayo hace referencia a los restos de la actividad de los rayos en la antigüedad que se estudian en campos como la geología histórica , la geoarqueología y la fulminología . El paleorayo proporciona evidencia tangible para el estudio de la actividad de los rayos en el pasado de la Tierra y el papel que estos pueden haber desempeñado en la historia de la Tierra. Algunos estudios han especulado que la actividad de los rayos jugó un papel crucial en el desarrollo no solo de la atmósfera primitiva de la Tierra, sino también de la vida primitiva. Se ha descubierto que los rayos, un proceso no biológico, producen material biológicamente útil a través de la oxidación y reducción de materia inorgánica. ^[1] La investigación sobre el impacto de los rayos en la atmósfera de la Tierra continúa hoy en día, especialmente con respecto a los mecanismos de retroalimentación de los compuestos de nitrato producidos por los rayos en la composición atmosférica y las temperaturas medias globales. ^[2]

Detectar la actividad de los rayos en el registro geológico puede ser difícil, dada la naturaleza instantánea de los rayos en general. Sin embargo, la fulgurita , un mineraloide vidrioso con forma de tubo, corteza o irregular que se forma cuando un rayo fusiona tierra , arenas de cuarzo , arcilla , roca , biomasa o caliche, es frecuente en regiones eléctricamente activas en todo el mundo y proporciona evidencia no solo de la actividad de rayos pasada, sino también de patrones de convección . ^[3] Dado que los canales de los rayos llevan una corriente eléctrica al suelo, los rayos también pueden producir campos magnéticos . Si bien las anomalías magnéticas de los rayos pueden proporcionar evidencia de la actividad de los rayos en una región, estas anomalías a menudo son problemáticas para quienes examinan el registro magnético de los tipos de roca porque disfrazan los campos magnéticos naturales presentes. ^[4]

La composición atmosférica de la Tierra primitiva (los primeros mil millones de años) era drásticamente diferente de su estado actual. ^[5] Inicialmente, los compuestos de hidrógeno y helio dominaban la atmósfera . Sin embargo, dado el tamaño relativamente pequeño de estos elementos y la temperatura más cálida de la Tierra en comparación con otros planetas en ese momento, la mayoría de estos compuestos más ligeros escaparon, dejando atrás una atmósfera compuesta principalmente de metano , nitrógeno , oxígeno y amoníaco con pequeñas concentraciones de compuestos de hidrógeno y otros gases. ^[1] La atmósfera estaba en transición de una atmósfera de reducción (una atmósfera que inhibe la oxidación) a una de oxidación , similar a nuestra atmósfera actual. ^[1] El origen de la vida en la Tierra ha sido un tema de especulación durante bastante tiempo. Los seres vivos no aparecieron espontáneamente, por lo que algún tipo de proceso biológico o incluso no biológico debe haber sido responsable de la generación de la vida. Los rayos son un proceso no biológico, y muchos han especulado que los rayos estaban presentes en la Tierra primitiva. Uno de los estudios más famosos que investigó los rayos en la Tierra primitiva fue el experimento de Miller-Urey.

El experimento de Miller-Urey buscó recrear la atmósfera primitiva de la Tierra dentro de un entorno de laboratorio para determinar los procesos químicos que finalmente llevaron a la vida en la Tierra. ^[1] La base de este experimento se basó en la hipótesis de Oparin, que suponía que se podía crear algo de materia orgánica a partir de material inorgánico dada una atmósfera de reducción . ^[1] Utilizando una mezcla de agua, metano , amoníaco e hidrógeno en tubos de vidrio, Miller y Urey replicaron los efectos de los rayos en la mezcla utilizando electrodos . ^[1] Al concluir el experimento, hasta el 15 por ciento del carbono de la mezcla formó compuestos orgánicos, mientras que el 2 por ciento del carbono formó aminoácidos , un elemento necesario para los componentes básicos de los organismos vivos. ^[1]

La composición real de la atmósfera de la Tierra primitiva es un tema de gran debate. Las cantidades variables de ciertos componentes gaseosos pueden afectar en gran medida el efecto general de un proceso particular, que incluye procesos no biológicos como la acumulación de carga en tormentas eléctricas . Se ha argumentado que los rayos inducidos por volcanes en las primeras etapas de la existencia de la Tierra, debido a que la columna volcánica estaba compuesta de "gases reductores" adicionales, eran más eficaces para estimular la oxidación de material orgánico para acelerar la producción de vida. ^[7] En el caso de los rayos volcánicos, la descarga del rayo ocurre casi exclusivamente directamente dentro de la columna volcánica. ^[7] Dado que este proceso ocurre bastante cerca del nivel del suelo, se ha sugerido que los rayos volcánicos contribuyeron a la generación de vida en mayor medida que los rayos producidos dentro de las nubes que reducirían la carga positiva o negativa de una nube al suelo. ^[7] Hill (1992) cuantificó esta mayor contribución examinando las concentraciones estimadas de cianuro de hidrógeno (HCN) de los rayos volcánicos y los "rayos en general". ^[7] Los resultados mostraron que las concentraciones de HCN para los rayos volcánicos eran un orden de magnitud mayor que las de los "rayos en general". ^[7] El cianuro de hidrógeno es otro compuesto que se ha vinculado con la generación de vida en la Tierra. ^[8] Sin embargo, dado que la intensidad y la cantidad de actividad volcánica durante las primeras etapas del desarrollo de la Tierra no se entienden completamente, las hipótesis sobre la actividad volcánica pasada (por ejemplo, Hill, 1992) generalmente se basan en la actividad volcánica observada en la actualidad. ^[7]

El nitrógeno , el gas más abundante en nuestra atmósfera, es crucial para la vida y un componente clave para varios procesos biológicos. Las formas biológicamente utilizables del nitrógeno, como los nitratos y el amoníaco , surgen a través de procesos biológicos y no biológicos a través de la fijación del nitrógeno . ^[9] Un ejemplo de un proceso no biológico responsable de la fijación del nitrógeno son los rayos.

Los rayos son descargas eléctricas de corta duración y alta intensidad que pueden alcanzar temperaturas cinco veces más calientes que la superficie del Sol. Como resultado, a medida que un canal de rayo viaja a través del aire, se produce ionización , formando compuestos de óxido de nitrógeno (NO _x ) dentro del canal del rayo. ^[2] La producción global de NO _x como resultado de los rayos es de alrededor de 1-20 Tg N año ⁻¹ . ^[10] Algunos estudios han dado a entender que la actividad de los rayos puede ser el "mayor contribuyente al presupuesto global de nitrógeno", incluso mayor que la quema de combustibles fósiles . ^[11] Con entre 1500 y 2000 tormentas eléctricas y millones de rayos que ocurren diariamente alrededor de la Tierra, es comprensible que la actividad de los rayos juegue un papel vital en la fijación de nitrógeno. ^[12] Si bien los compuestos de óxido de nitrógeno se producen a medida que un canal de rayo viaja hacia el suelo, algunos de esos compuestos se transfieren a la geosfera a través de deposición húmeda o seca . ^[2] Las variaciones del nitrógeno en los ambientes terrestres y oceánicos impactan la producción primaria y otros procesos biológicos. ^[2] Los cambios en la producción primaria pueden impactar no sólo el ciclo del carbono , sino también el sistema climático .

La retroalimentación climática de la biota y los rayos (LBF) es una respuesta de retroalimentación negativa al calentamiento global en una escala de tiempo de cientos o miles de años, como resultado del aumento de las concentraciones de compuestos de nitrógeno de la actividad de los rayos depositados en los ecosistemas biológicos . ^{[2] Se utilizó un} modelo conceptual de la Tierra de dimensión cero , que tuvo en cuenta la temperatura global, el nitrógeno disponible en el suelo, la vegetación terrestre y la concentración global de dióxido de carbono atmosférico , para determinar la respuesta de las temperaturas medias globales al aumento de las concentraciones de NO _x de los rayos. ^[2] Se planteó la hipótesis de que, como resultado del aumento de las temperaturas medias globales, la producción de rayos aumentaría porque el aumento de la evaporación de los océanos promovería una mayor convección . Como resultado de los rayos más numerosos, la fijación de nitrógeno depositaría más formas biológicamente útiles de nitrógeno en varios ecosistemas , lo que fomentaría la producción primaria . Los impactos en la producción primaria afectarían al ciclo del carbono , lo que llevaría a una reducción del dióxido de carbono atmosférico. Una reducción del dióxido de carbono atmosférico daría lugar a una retroalimentación negativa, o enfriamiento, del sistema climático . ^[2] Los resultados del modelo indicaron que, en su mayor parte, la retroalimentación climática de los rayos y la biota retrasó las perturbaciones positivas en el dióxido de carbono atmosférico y la temperatura hasta un estado de "equilibrio". ^[2] También se investigaron los impactos de la retroalimentación climática de los rayos y la biota en la reducción de las influencias antropogénicas en las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico. ^[2] Utilizando los niveles actuales de dióxido de carbono atmosférico y las tasas de aumento del dióxido de carbono atmosférico sobre una base anual en función del momento del artículo, la retroalimentación climática de los rayos y la biota mostró una vez más un efecto de enfriamiento en las temperaturas medias globales, dada una perturbación inicial. ^[2] Dada la naturaleza simplificada del modelo, se descuidaron varios parámetros ( ozono producido por los rayos, etc.) y otros mecanismos de retroalimentación, por lo que la importancia de los resultados sigue siendo un área de discusión. ^[2]

Los indicadores de actividad de rayos en el registro geológico suelen ser difíciles de descifrar. Por ejemplo, los carbones fósiles del Triásico Tardío podrían ser el resultado de incendios forestales provocados por rayos. ^[13] Aunque los rayos son, en su mayor parte, eventos instantáneos, se pueden encontrar evidencias de actividad de rayos en objetos llamados fulguritas .

Las fulguritas (del latín fulgur , que significa " rayo ") son tubos naturales, grupos o masas de tierra sinterizada, vitrificada y/o fusionada, arena, roca, restos orgánicos y otros sedimentos que a veces se forman cuando los rayos se descargan en el suelo. Las fulguritas se clasifican como una variedad del mineraloide lechatelierita . Las fulguritas no tienen una composición fija porque su composición química está determinada por las propiedades físicas y químicas del material alcanzado por un rayo. Cuando un rayo cae sobre un sustrato de conexión a tierra, se descargan rápidamente más de 100 millones de voltios (100 MV) en el suelo. ^[15] Esta carga se propaga y vaporiza y funde rápidamente la arena cuarzosa rica en sílice , el suelo mixto , la arcilla u otros sedimentos. ^[16] Esto da como resultado la formación de conjuntos huecos y/o ramificados de tubos , costras, escorias y masas vesiculares vítreas , protocristalinas y heterogéneamente microcristalinas . ^[17] Las fulguritas son homólogas a las figuras de Lichtenberg , que son los patrones de ramificación producidos en las superficies de los aislantes durante la ruptura dieléctrica por descargas de alto voltaje, como los rayos. ^{[18] [19]}

Las fulguritas son indicativas de tormentas eléctricas ; la distribución de las fulguritas puede indicar patrones de caída de rayos. Sponholz et al. (1993) estudiaron las distribuciones de fulgurita a lo largo de una sección transversal norte-sur en el desierto sahariano central sur ( Níger ). El estudio encontró que las concentraciones más nuevas de fulgurita aumentaron de norte a sur, lo que indicó no solo un patrón paleomonzónico, sino también la demarcación de las tormentas eléctricas a medida que progresaban desde una línea norte a una ubicación sur con el tiempo. ^[3] Al examinar los afloramientos en los que se encontraron las muestras de fulgurita, Sponholz et al. (1993) pudieron proporcionar una fecha relativa para los minerales. Las muestras de fulgurita databan de aproximadamente 15.000 años atrás, del Holoceno medio a superior . ^[3] Este hallazgo concordaba con los paleosuelos de la región, ya que este período del Holoceno fue particularmente húmedo. ^[3] Un clima más húmedo sugeriría que la propensión a las tormentas eléctricas probablemente era elevada, lo que daría lugar a mayores concentraciones de fulgurita. ^[3] Estos resultados apuntaron al hecho de que el clima con el que se formó la fulgurita era significativamente diferente del clima actual porque el clima actual del desierto del Sahara es árido . ^[3] La edad aproximada de la fulgurita se determinó utilizando termoluminiscencia (TL). ^[20] Las arenas de cuarzo se pueden utilizar para medir la cantidad de exposición a la radiación , por lo que si se conoce la temperatura a la que se formó la fulgurita, se podría determinar la edad relativa del mineral examinando las dosis de radiación involucradas en el proceso. ^{[3] [20]}

Las fulguritas también contienen burbujas de aire. ^[3] Dado que la formación de fulgurita generalmente toma solo alrededor de un segundo, y el proceso involucrado en la creación de fulgurita involucra varias reacciones químicas, es relativamente fácil atrapar gases, como CO ₂ , dentro de las vesículas. ^[20] Estos gases pueden quedar atrapados durante millones de años. ^[20] Los estudios han demostrado que los gases dentro de estas burbujas pueden indicar las características del suelo durante la formación del material de fulgurita, que dan una pista del paleoclima . ^[20] Dado que la fulgurita está compuesta casi en su totalidad de sílice con trazas de calcio y magnesio , se puede hacer una aproximación de la cantidad total de carbono orgánico asociado con ese rayo para calcular una relación carbono-nitrógeno para determinar el paleoambiente. ^[20]

Cuando los geólogos estudian el paleoclima , un factor importante a examinar son las características del campo magnético de los tipos de rocas para determinar no sólo las desviaciones del campo magnético pasado de la Tierra, sino también para estudiar la posible actividad tectónica que podría sugerir ciertos regímenes climáticos.

La evidencia de la actividad de los rayos a menudo se puede encontrar en el registro paleomagnético . Los rayos son el resultado de una enorme acumulación de carga en las nubes. Este exceso de carga se transfiere al suelo a través de canales de rayos, que transportan una fuerte corriente eléctrica . Debido a la intensidad de esta corriente eléctrica, cuando un rayo golpea el suelo, puede producir un campo magnético fuerte, aunque breve. Por lo tanto, a medida que la corriente eléctrica viaja a través de suelos, rocas, raíces de plantas, etc., bloquea una firma magnética única dentro de estos materiales a través de un proceso conocido como magnetización remanente inducida por rayos (LIRM). ^[21] La evidencia de LIRM se manifiesta en líneas de campo magnético concéntricas que rodean la ubicación del punto de impacto del rayo. ^[22] Las anomalías LIRM normalmente ocurren cerca de la ubicación del impacto del rayo, generalmente encapsuladas a varios metros del punto de contacto. ^[4] Las anomalías son generalmente lineales o radiales, que, al igual que los canales de rayos reales, se ramifican desde un punto central. ^[23] Es posible determinar la intensidad de la corriente eléctrica de un rayo examinando las señales LIRM. ^[22] Dado que las rocas y los suelos ya tienen un campo magnético preexistente, la intensidad de la corriente eléctrica se puede determinar examinando el cambio entre el campo magnético "natural" y el campo magnético inducido por la corriente del rayo, que generalmente actúa en paralelo a la dirección del canal del rayo. ^[22] Otra característica distintiva de una anomalía LIRM en comparación con otras anomalías magnéticas es que la intensidad de la corriente eléctrica es generalmente más fuerte. ^[4] Sin embargo, algunos han sugerido que las anomalías, al igual que otras características del registro geológico, podrían desaparecer con el tiempo a medida que el campo magnético se redistribuye. ^[23]

Las anomalías LIRM pueden ser problemáticas a menudo cuando se examinan las características magnéticas de los tipos de roca. Las anomalías LIRM pueden disfrazar la magnetización remanente natural (NRM) de las rocas en cuestión porque la magnetización posterior causada por el impacto del rayo reconfigura el registro magnético. ^[4] Mientras investigaba los atributos del suelo en el sitio arqueológico 30-30 Winchester en el noreste de Wyoming para discernir las actividades diarias de las personas prehistóricas que alguna vez ocuparon esa región, David Maki notó anomalías peculiares en el registro magnético que no coincidían con las características remanentes magnéticas circulares de los hornos utilizados por estos grupos prehistóricos para cocinar y alfarería. ^[4] La anomalía LIRM fue significativamente más grande que las otras anomalías magnéticas y formó una estructura dendrítica. ^[4] Para probar la validez de la afirmación de que la anomalía magnética fue de hecho el resultado de un rayo y no otro proceso, Maki (2005) probó las muestras de suelo contra estándares conocidos indicativos de anomalías LIRM desarrollados por Dunlop et al. (1984), Wasilewski y Kletetschka (1999), y Verrier y Rochette (2002). ^{[22] [24] [25]} Estos estándares incluyen, pero no se limitan a: 1) REM promedio (relación entre la magnetización remanente natural a un valor estándar de laboratorio) mayor a 0.2, y 2) Relación Koenigsberger promedio (relación entre la magnetización remanente natural y el campo natural creado por el campo magnético de la Tierra). ^[4] Los hallazgos indicaron la evidencia de LIRM en el sitio arqueológico. Las anomalías de LIRM también complicaron la determinación de la ubicación relativa de los polos durante el Cretácico tardío a partir del registro del campo magnético de los flujos de lava basáltica en Mongolia . ^[26] La presencia de rocas afectadas por LIRM se determinó cuando las relaciones Koenigsberger calculadas fueron drásticamente más altas que otras firmas magnéticas en la región. ^[26]

• La bibliografía de Fulguritas