Una tormenta sin nubes
La noche del 15 de enero de 2022, una cadena de antenas de radio repartidas por el Pacífico Sur empezó a registrar algo que no debería haber sido posible. Un volcán submarino del Reino de Tonga, el Hunga Tonga–Hunga Ha’apai, había lanzado una columna de ceniza, gas y agua de mar vaporizada desde el océano hasta la mesosfera. Dentro de esa columna estallaban rayos a un ritmo de 2.615 por minuto. Ninguna tormenta registrada jamás por las redes mundiales de detección de rayos se había acercado siquiera a esa cifra.
Son los rayos volcánicos: un fenómeno lo bastante antiguo como para que un adolescente romano lo presenciara mientras su tío moría navegando hacia él, y lo bastante extraño como para que los investigadores sigan discutiendo cómo funciona exactamente.
¿Qué son los rayos volcánicos?
Un rayo volcánico es una descarga eléctrica que se produce dentro o alrededor de la pluma de un volcán en erupción, y no dentro de una nube de lluvia corriente. Como la carga se acumula en una nube de ceniza y no en una nube de gotitas de agua, el fenómeno se ganó el apodo de «tormenta sucia».
La física básica es la misma que la de los rayos corrientes. Las partículas de una nube turbulenta adquieren cargas eléctricas opuestas, esas cargas se separan en regiones distintas y, cuando la diferencia de potencial crece lo suficiente, se produce la ruptura dieléctrica del aire y salta una chispa. Lo que cambia es lo que la nube lleva dentro. Una nube de tormenta está llena de agua y hielo. Una pluma volcánica está llena de roca pulverizada, y eso cambia cuáles son los procesos de carga que importan.
La historia: de Plinio el Joven al Observatorio Vesubiano
El testimonio escrito más antiguo que se conserva procede de Plinio el Joven, que observó la erupción del Vesubio del año 79 d. C. desde Miseno, al otro lado de la bahía, y más tarde escribió sobre «una oscuridad intensísima, que el resplandor vacilante de las antorchas, eclipsado a intervalos por el fulgor fugaz de los relámpagos, hacía aún más espantosa». Su tío, Plinio el Viejo, navegó hacia la erupción y murió.
Durante los siglos siguientes, los rayos volcánicos no pasaron de ser una curiosidad de testigos presenciales. El primer intento de estudiarlos de forma sistemática fue obra de Luigi Palmieri, director del Observatorio Vesubiano, que registró la actividad eléctrica durante las erupciones de 1858, 1861, 1868 y 1872. El Vesubio le complació una y otra vez. Hoy el fenómeno se ha observado en cientos de erupciones de todo el mundo.
¿Qué causa los rayos volcánicos? Los tres mecanismos de carga
Hay varias maneras de cargar eléctricamente las partículas de una pluma volcánica, y no todas actúan en el mismo lugar.
Fractoemisión (carga por fragmentación)
Cuando el magma se desgarra en el conducto y se hace añicos hasta convertirse en ceniza, la fractura de la roca y del vidrio expulsa electrones e iones. Este proceso, llamado fractoemisión, carga las partículas en el mismo origen, antes incluso de que la ceniza haya salido de la boca eruptiva. En las plumas ricas en partículas sólidas de silicato, la fractoemisión es probablemente la principal fuente de la carga inicial.
Carga triboeléctrica (por colisión)
Una vez que la ceniza está en el aire, las partículas se rozan y chocan entre sí en el chorro turbulento, e intercambian carga como lo hace un globo frotado contra el pelo. Este proceso de fricción o colisión se llama carga triboeléctrica. Corrado Cimarelli, vulcanólogo experimental de la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich, ha descrito la pluma volcánica como un entorno perfecto para la fricción: un chorro denso y turbulento en el que las partículas chocan constantemente. En un artículo publicado en 2014 en Geology, Cimarelli y sus colegas generaron rayos volcánicos en el laboratorio disparando mezclas de gas y partículas a través de una tobera, y comprobaron que las descargas dependían de la dinámica del chorro lleno de partículas y de la abundancia de ceniza fina.
Carga por hielo de «tormenta sucia»
Más arriba entra en juego un tercer mecanismo. Si una pluma asciende por encima del nivel de congelación de la atmósfera, el vapor de agua se condensa y se congela, y produce cristales de hielo, agua sobreenfriada y granizo blando. Las colisiones entre estas partículas generan carga del mismo modo que en una tormenta corriente. Es el mecanismo de carga por hielo, que cobra importancia en cuanto la pluma alcanza altitudes con temperaturas bajo cero.
Qué mecanismo domina, y dónde
Qué mecanismo domina depende sobre todo de la altitud. Cerca de la boca y en las plumas bajas predomina la carga de los silicatos por fragmentación y colisión. Más arriba, cuando una pluma supera el nivel de congelación, toma el relevo la carga por hielo. Un estudio del USGS de 2020 sobre la erupción del Bogoslof lo expresó sin rodeos: «las plumas no produjeron rayos detectables hasta que ascendieron por encima del nivel de congelación atmosférico», aproximado por el nivel de −20 °C, donde se formó hielo en la parte alta de la pluma. McNutt y Williams observaron que las alturas de las plumas se agrupan en dos franjas. Como publicaron en 2010, «las alturas de las plumas de ceniza (142 observaciones) muestran una distribución bimodal, con picos principales a 7–12 km y 1–4 km», lo que concuerda con dos regímenes distintos que actúan a altitudes diferentes.
Los tres regímenes de rayos
Las redes de cartografiado de rayos, que localizan las descargas en tres dimensiones mediante señales de radio, han demostrado que la actividad eléctrica atraviesa fases distintas a lo largo de una erupción.
Descargas en la boca eruptiva
Al principio mismo de una explosión, la región de empuje de los gases, justo encima de la boca, se llena de chispas diminutas. Estas descargas en la boca son pequeñas, del orden de metros a decenas de metros, y se producen en ráfagas rápidas que generan una característica señal continua de radiofrecuencia. En el Augustine, en 2006, los investigadores las interpretaron como pequeñas chispas de 10 a 100 metros de longitud que se sucedían a ritmos de miles a decenas de miles por segundo. Mediciones posteriores en el Sakurajima mostraron que los impulsos individuales son aún más pequeños: descargas de tipo streamer de apenas unos metros, más que rayos en miniatura. Su presencia te indica que la ceniza se está cargando en el momento en que sale de la boca, o incluso antes.
Rayos cercanos a la boca
Segundos después se forman rayos más grandes en la parte baja de la columna eruptiva, que ascienden desde el cono. Estos rayos cercanos a la boca miden aproximadamente de 1 a 7 km de longitud y duran una fracción de segundo, y algunos llegan al suelo. Están ligados a los procesos de fragmentación y colisión que tienen lugar en la densa parte inferior de la pluma. El estudio de 2016 de Cimarelli y sus colegas en el Sakurajima, en Japón, combinó vídeo de alta velocidad sincronizado, mediciones magnetotelúricas e infrasonido para captar precisamente estas descargas cercanas a la boca, y relacionó su aparición con la dinámica y la altura de la pluma.
Rayos en la pluma
Minutos después de la explosión aparecen rayos en la parte convectiva de la pluma, la que deriva con el viento, y en la nube paraguas que se va extendiendo. Estos rayos de la pluma son los que más se parecen a los de una tormenta corriente, pueden abarcar muchos kilómetros y es en ellos donde el agua y el hielo desempeñan su papel más importante. Los rayos más grandes suelen llegar tarde, cuando la estructura de cargas de la pluma se organiza en amplias capas horizontales.
Perlas de vidrio volcánico: la prueba fósil en la ceniza caída
Los rayos volcánicos dejan una huella física. En 2015, Kimberly Genareau y sus colegas describieron en un artículo publicado en Geology las esférulas volcánicas inducidas por rayos, o LIVS. Cuando una descarga atraviesa violentamente una pluma, el calor del canal funde las partículas de ceniza cercanas y la tensión superficial convierte el fundido en diminutas esferas de vidrio antes de que se enfríen. Estas esférulas miden de media unas 50 micras de diámetro y no llegan a las 100 micras, sea cual sea la composición de la ceniza.
El equipo las encontró en la ceniza caída de dos erupciones en las que los rayos estaban bien documentados: la del monte Redoubt, en Alaska, en 2009, y la del Eyjafjallajökull, en Islandia, en 2010. El hallazgo es importante porque permite a los investigadores deducir que hubo rayos en erupciones antiguas que nadie presenció, simplemente tamizando los depósitos en busca de perlas de vidrio.
Dónde y cuándo se producen los rayos volcánicos
Los rayos volcánicos no están garantizados. Se ven favorecidos por las erupciones grandes, explosivas y ricas en ceniza. En su base de datos mundial, Stephen McNutt y Earle Williams documentaron rayos en 80 volcanes a lo largo de 212 erupciones, y una revisión actualizada elevó la cifra a rayos «en 87 volcanes, asociados a 236 erupciones». Se pudo determinar el índice de explosividad volcánica (VEI) de 177 de esas erupciones, y el patrón era claro. Como escribieron los autores, «el 8 % de las erupciones con VEI = 3–5 tienen rayos registrados, al igual que el 10 % de las de VEI = 6, pero menos del 2 % de las de VEI = 1–2», una prueba sólida de que las erupciones más grandes y explosivas son las que crepitan.
Un estudio más reciente afinó el panorama con datos mundiales continuos. Publicado en 2025 en Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences, cruzó las detecciones de la World Wide Lightning Location Network con los registros de erupciones del Global Volcanism Program de la Smithsonian para el periodo comprendido entre abril de 2009 y febrero de 2022. De las 490 erupciones de 170 volcanes ocurridas en ese intervalo, «se comprobó que 308 erupciones de 131 volcanes estaban asociadas a rayos volcánicos», aproximadamente tres de cada cinco erupciones del registro moderno, bien vigilado.
El récord de rayos del Hunga Tonga
La erupción del Hunga Tonga–Hunga Ha’apai del 15 de enero de 2022 es el episodio de rayos volcánicos más extremo jamás medido, y el estudio que lo documentó es el de Van Eaton y sus colegas, publicado en Geophysical Research Letters en 2023. La boca submarina se encontraba bajo la superficie del océano, a la profundidad suficiente para que el magma en erupción hiciera hervir de golpe enormes volúmenes de agua de mar, pero lo bastante somera como para que el océano no sofocara la explosión. La pluma se elevó al menos 58 km, hasta la mesosfera.
Combinando cuatro fuentes de datos de rayos que nunca se habían usado juntas, el equipo contabilizó algo más de 192.000 rayos —casi 500.000 pulsos eléctricos individuales— a lo largo de una erupción que duró al menos 11 horas, con un máximo de 2.615 rayos por minuto: la tormenta eléctrica más intensa jamás detectada por las redes mundiales. La autora principal, la vulcanóloga del USGS Alexa Van Eaton, la calificó de «una tormenta supercargada como nunca habíamos visto». A modo de comparación, la segunda tormenta eléctrica más intensa registrada, una tormenta de 1999 sobre el sur de Estados Unidos, alcanzó un máximo de 993 rayos por minuto.
Dos rasgos destacaron. Primero, algunos rayos alcanzaron altitudes de 20 a 30 km sobre el nivel del mar: los rayos a mayor altitud jamás medidos. Segundo, los rayos se dispusieron en enormes anillos concéntricos centrados en la boca. Estos anillos de rayos se expandieron hacia fuera, y el mayor llegó a un radio de unos 140 km, una estructura de unos 280 km (unas 175 millas) de diámetro, lo que Van Eaton describió como «una rosquilla de descargas eléctricas de 280 kilómetros de diámetro». El equipo demostró que los anillos viajaban sobre ondas de gravedad internas que recorrían la nube paraguas a más de 80 metros por segundo, generadas por la oscilación por flotabilidad de la cima penetrante de la pluma.
La clave está en el entorno submarino. Al vaporizar agua de mar, la erupción inyectó una cantidad extraordinaria de agua en la estratosfera, lo que alimentó la carga por hielo de la que dependen las tormentas corrientes y la llevó a una escala sin precedentes.
Cómo usan los científicos los rayos volcánicos para vigilar erupciones
Detectar con rapidez una erupción explosiva es una cuestión de seguridad, porque las nubes de ceniza son letales para los motores a reacción y en el mundo hay muchos más volcanes peligrosos que sismómetros. La detección de rayos ofrece una manera de localizar y seguir erupciones casi en tiempo real, a miles de kilómetros de distancia, de día o de noche.
Dos sistemas hacen la mayor parte del trabajo. La World Wide Lightning Location Network, una red terrestre de receptores de radio gestionada por un consorcio de universidades, detecta los rayos más potentes en cualquier lugar de la Tierra. Desde el espacio, el Geostationary Lightning Mapper, a bordo de los satélites de la serie GOES-R, cartografía de forma continua todos los rayos del hemisferio occidental con una resolución espacial casi uniforme de unos 10 km.
El método demostró su valía durante la erupción del Bogoslof, en las Aleutianas, en 2016–2017. Según Van Eaton y sus colegas, «solo 32 de los 70 episodios explosivos produjeron rayos detectables», y la WWLLN y el GLD360 de Vaisala registraron más de 4.550 descargas en nueve meses. Esas detecciones se enviaron al USGS casi en tiempo real: fue el primer uso operativo de los rayos volcánicos en la vigilancia de erupciones en Estados Unidos. El trabajo de Van Eaton sobre el Hunga Tonga defendió lo mismo a mayor escala: los datos de rayos permitieron a los científicos reconstruir fases de la erupción que la opaca nube de ceniza había ocultado a la vista de los satélites.
En qué siguen sin ponerse de acuerdo los científicos
Las líneas generales están claras, pero algunos detalles importantes no. El equilibrio entre la carga de los silicatos y la carga por hielo sigue siendo objeto de debate, y parece variar de una erupción a otra. Durante la erupción del Eyjafjallajökull de 2010, el análisis de la morfología de los rayos indicó que predominaba la carga de los silicatos, y algunos investigadores no hallaron pruebas convincentes que relacionaran el inicio de los rayos con temperaturas de formación de hielo. En el Bogoslof y el Redoubt, en cambio, el agua externa —la del océano y la de un glaciar de la cumbre— parece haber sido importante para la carga por hielo. Como ha dicho la científica de Los Álamos Sonja Behnke, «parece que es importante tener agua externa para que se dé el mecanismo de carga por hielo».
Cuánto hielo hace falta y en qué momento exacto la carga por hielo toma el relevo de la carga de los silicatos son preguntas abiertas. El resumen honesto es que la carga funciona como un continuo, dominada por los procesos de los silicatos cerca de la boca y por los del hielo en lo alto de las plumas altas y húmedas, y que el punto de transición depende de cuánta agua lleve cada erupción.
Preguntas frecuentes
¿Qué causa los rayos volcánicos?
Las partículas cargadas de una pluma volcánica. La roca que se fragmenta en ceniza expulsa carga (fractoemisión), las partículas de ceniza que chocan intercambian carga (carga triboeléctrica) y, en lo alto de las plumas altas, las partículas de hielo se cargan como en las tormentas. La turbulencia separa las cargas hasta que salta una chispa.
¿Los rayos volcánicos son iguales que los rayos normales?
La descarga en sí obedece a la misma física. La diferencia está en el origen de la carga: ceniza y roca en lugar de agua y hielo. Los rayos volcánicos pueden producirse incluso cuando no hay hielo en la nube, algo imposible para los rayos corrientes.
¿Por qué se habla de tormenta sucia?
Porque la carga se acumula en una nube llena de ceniza volcánica «sucia» en lugar de en una nube limpia de agua.
¿Qué intensidad alcanzaron los rayos del Hunga Tonga?
Llegaron a un máximo de 2.615 rayos por minuto y sumaron más de 192.000: la tormenta eléctrica más intensa jamás detectada por las redes mundiales, con algunos rayos a entre 20 y 30 km de altitud.
¿Sirven los rayos volcánicos para predecir erupciones?
Se usan para detectar y seguir erupciones en curso, más que para predecirlas con antelación, y permiten alertar rápidamente de las nubes de ceniza que amenazan a los aviones.
¿Dejan algún rastro los rayos volcánicos?
Sí. Funden la ceniza y la convierten en diminutas perlas de vidrio llamadas esférulas volcánicas inducidas por rayos, que pueden encontrarse en los depósitos de caída de ceniza.
¿Qué volcanes producen más rayos?
Las erupciones explosivas grandes y ricas en ceniza, sobre todo las de VEI 3 o superior. El Sakurajima, el Redoubt, el Eyjafjallajökull, el Calbuco, el Bogoslof y el Hunga Tonga son ejemplos bien documentados.
