El Rayo
El rayo es una
poderosa descarga natural de
electricidad estática,
producida durante una
tormenta
eléctrica; generando un "pulso
electromagnético".
La descarga eléctrica precipitada del rayo es acompañada por la emisión de luz (el relámpago), causada por el paso de corriente eléctrica que ioniza las moléculas de aire, y por el sonido del trueno, desarrollado por la onda de choque.
La electricidad (corriente eléctrica) que pasa a través de la atmósfera calienta y expande rápidamente el aire, produciendo el ruido característico del trueno. Los rayos se encuentran en estado plasmático.
Generalmente, los rayos son producidos por partículas positivas en la tierra y negativas en nubes de desarrollo vertical llamadas cumulonimbos. Cuando un cumulonimbo alcanza la tropopausa, las cargas positivas de la nube atraen a las cargas negativas; este movimiento de cargas a través de la atmósfera constituyen los rayos.
Esto produce un efecto de ida y vuelta; se refiere a que al subir las partículas instantáneamente regresan causando la visión de que los rayos bajan.
Un rayo puede generar una potencia instantánea de 1 gigawatt (mil millones de vatios), pudiendo ser comparable a la de una explosión nuclear. La disciplina que, dentro de la meteorología, estudia todo lo relacionado con los rayos se denomina ceraunología
Formación del rayo
Cómo se inicia la descarga eléctrica sigue siendo un tema de debate.[4] Los científicos han estudiado las causas fundamentales, que van desde las perturbaciones atmosféricas (viento, humedad y presión) hasta los efectos del viento solar y a la acumulación de partículas solares cargadas.[5]
Se cree que el hielo es el elemento clave en el desarrollo, propiciando una separación de las cargas positivas y negativas dentro de la nube.[5]
Los rayos pueden
producirse en las nubes de cenizas de erupciones
volcánicas, o puede ser causado por violentos incendios
forestales que generen polvo capaz de crear carga
estática.[6]
[7]
Hipótesis de la inducción electrostática
De acuerdo con la hipótesis de la inducción electrostática, las cargas son impulsadas con procesos que aún son inciertos. La separación de las cargas parece requerir de una fuerte corriente aérea ascendente que lleve las gotas de agua hacia arriba, superenfriándolas entre los 10 y los 20° C bajo cero.
Estas colisionan con los cristales de hielo formando una combinación de agua-hielo denominada granizo. Las colisiones producen que una carga ligeramente positiva sea transferida a los cristales de hielo, y una carga ligeramente negativa hacia el granizo.
Las corrientes conducen los cristales de hielo menos pesados hacia arriba, causando que en la parte posterior de la nube se acumulen cargas positivas. La gravedad causa que el granizo más pesado con carga negativa caiga hacia el centro y a las partes más bajas de las nubes.
La separación de cargas y la acumulación
continúa hasta que el
potencial eléctrico se vuelva suficiente para
iniciar una descarga eléctrica, que ocurre cuando la
distribución de las cargas positivas y negativas forman
un
campo eléctrico lo suficientemente fuerte.
Hipótesis del mecanismo de polarización
El mecanismo por el cual la separación de cargas sucede sigue siendo objeto de investigación. Otra hipótesis es el mecanismo de polarización, que tiene dos componentes: [8]
La caída de las gotas de hielo y agua se vuelven eléctricamente polarizadas en el momento en que caen a través del campo eléctrico natural de la Tierra;
Las partículas de hielo que chocan se cargan por inducción electroestática (mirar arriba).
Hay varias hipótesis adicionales que explican el origen de la separación de cargas.[9] [10]
Ruta principal e impacto de retorno
En una nube de tormenta, una carga eléctrica igual pero opuesta a la carga de la base de la nube se induce en la tierra por debajo de la nube. El suelo con carga inducida sigue el movimiento de la nube manteniéndose por debajo; si el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte, una descarga electrostática (denominada corriente positiva) puede desarrollarse a partir de estas condiciones. Esto fue teorizado por Heinz Kasemir.[11] [12]
Ilustración de una corriente negativa (roja) encontrándose con su contraparte positiva (azul) y formando el impacto de retorno. Haz clic para ver la animación.
A medida que el campo eléctrico aumenta, la corriente positiva puede convertirse en una ruta principal más grande y caliente que la actual y finalmente llegar a la ruta principal de paso que desciende desde la nube.
Es también posible que muchas corrientes se desarrollen a través de diferentes objetos simultáneamente, con sólo uno haciendo contacto con el principal y formando la trayectoria de la descarga principal. Se han tomado fotografías de este proceso aún cuando ambas corrientes no estaban aún conectadas.[13]
Una vez que el canal de aire ionizado se establece entre la nube y el suelo, se convierte en una ruta de menor resistencia, y permite una propagación de corriente mucho mayor desde la tierra a la nube. Este es el impacto de retorno y es el que más intensidad luminosa posee, siendo una de las partes más notables de la descarga del rayo.
La descarga inicial bipolar, o ruta de aire ionizado, empieza con una combinación de agua con carga negativa y una región de hielo en la nube de tormenta. Los canales de descarga ionizados son conocidos como rutas principales de paso, la mayoría de éstas superan los 45 metros de longitud.[14]
Las rutas principales cargadas positiva y negativamente avanzan en direcciones opuestas. Las cargadas negativamente avanzan hacia abajo en una serie de saltos rápidos (pasos).
A medida que continúa el descenso, las rutas principales de paso pueden ramificarse en varios caminos.[15] La progresión de las rutas principales de paso toma un tiempo relativamente largo en llegar al suelo (cientos de milisegundos).
Esta fase inicial necesita de una relativamente pequeña corriente eléctrica (decenas o cientos de amperios, siendo ésta casi invisible, cuando se compara con el canal de rayos posterior.
Cuando una ruta principal de paso alcanza el suelo, la presencia de cargas opuestas en el suelo mejora la potencia del campo eléctrico.
El campo eléctrico es más fuerte en objetos en contacto con el suelo cuyas partes más altas están cercanos a la base de la nube de tormenta, como árboles o edificios altos.
Secuencia del relámpago, dura 0,32 s
Algunos rayos presentan características particulares; los científicos y el público en general han dado nombres a estos diferentes tipos de rayos.
El rayo que se observa más comúnmente es el rayo streak. Esto no es más que el trazo de retorno, la parte visible del trazo del rayo.
La mayoría de los trazos se producen dentro de una nube, por lo que no vemos la mayoría de los trazos individuales de retorno durante una tormenta.
Rayo de nube a tierra
Es el más
conocido y el segundo tipo más común. De
todos los tipos de rayos, este representa la
mayor amenaza para la vida y la propiedad,
puesto que impacta contra la tierra.
El rayo nube a tierra es una descarga entre una nube cumulonimbus y la tierra. Comienza con un trazo inicial que se mueve desde la nube hacia abajo.
Múltiples rutas de un rayo nube a nube
Sabina herida por un rayo.
Rayo perla
El Rayo perla
es un tipo de rayo de nube a tierra que
parece romper en una cadena de secciones
cortas, brillantes, que duran más que una
descarga habitual.
Es relativamente raro. Se han propuesto varias teorías para explicarlo; una es que el observador ve porciones del final de canal de relámpago, y que estas partes parecen especialmente brillantes.
Otra es que, en el rayo cordón, el ancho del canal varía; como el canal de relámpago se enfría y se desvanece, las secciones más amplias se enfrían más lentamente y permanecen aún visibles, pareciendo una cadena de perlas y raramente se elevan en el cielo esparciendo una luz a lo largo del rayo .[16] [17]
Rayo Staccato
Rayo
Staccato es un rayo de nube a tierra,
con un trazo de corta duración que aparece
como un único flash muy brillante y a menudo
tiene ramificaciones considerables.[18]
Rayo bifurcado
Rayo
bifurcado es un nombre, no uso formal, para
rayos de nube a tierra que exhiben la
ramificación de su ruta.
Rayo de tierra a nube
El rayo
tierra a nube es una descarga entre la
tierra y una nube
cumulonimbus, que es iniciado por un
trazo inicial ascendente; es mucho más raro
que el rayo nube a tierra.
Este tipo de rayo se forma cuando iones cargados negativamente, se elevan desde el suelo y se encuentran con iones cargados positivamente en una nube cumulonimbus. Entonces el rayo vuelve a tierra como trazo.
Rayo de nube a nube
Este tipo de rayos pueden producirse entre las zonas de nube que no estén en contacto con el suelo.
Cuando ocurre entre dos nubes separadas; es llamado rayo inter-nube y cuando se produce entre zonas de diferente potencial eléctrico, dentro de una sola nube, se denomina rayo intra-nube.
El rayo Intra-nube es el tipo que ocurre con más frecuencia.[19] Existe un fenómeno en la naturaleza muy poco conocido, al cual se le ha dado el nombre de centella, bolas de luz o bolas de fuego.
Éstas son esferas luminosas tan brillantes como las lámparas fluorescentes.
El tamaño de las esferas varía de algunos centímetros a varios metros de diámetro. Pueden tomar cualquier coloración, aunque el violeta y el verde son muy raros.
El fenómeno toma cuerpo en condiciones especiales y su materialización es instantánea.
Algunas veces parece que el destello es continuo y, otras, intermitente. Las centellas pueden viajar paralelamente a lo largo de un conductor, cerca de una sustancia aislante, o en el seno mismo del aire.
El fenómeno
puede durar de unos cuantos segundos a
varios minutos. Algunas centellas se
desvanecen poco a poco y otras desaparecen
abruptamente y, en ocasiones, explotan.
Los rayos comienzan con un proceso que es conocido como el ciclo del agua.
Los rayos son una de las manifestaciones más bellas de la naturaleza, aunque también es uno de los más mortales y peligrosos.
Con temperaturas
superiores a las de
la superficie del
Sol y poderosos
destellos de luz
conocidos como
relámpagos, los
rayos son toda una
lección de ciencia
que nos da la
naturaleza así como
un recordatorio de
lo frágiles que
somos ante
determinados
fenómenos de
naturales como éste.
En el siguiente
artículo
analizaremos los
rayos desde todas
las perspectivas, de
adentro y de afuera,
para que una vez que
terminado de leerlo
entiendan bien cómo
funciona este
poderoso fenómeno.
Los rayos comienzan
con un proceso que
es conocido como el
ciclo del agua.
Para comprender
mejor al ciclo
de agua hay que
conocer los
principios físicos
de evaporación
y condensación.
La evaporación es el proceso por el cual un líquido absorbe calor y se convierte en vapor. Un buen ejemplo sería un charco de agua que se forma luego de la lluvia. ¿Por qué el charco de agua luego de unas horas se seca o desaparece?
El agua del charco absorbe el calor generado por el sol y el medio ambiente y se escapa en forma de vapor, lo que significa que se evapora. Cuando un líquido se calienta, sus moléculas se mueven más rápido.
Algunas moléculas
del líquido pueden
moverse lo
suficientemente
rápido como para
despegarse de la
superficie del mismo
y escaparse en la
forma de moléculas
de vapor o de estado
gaseoso, llevándose
consigo la energía
térmica absorbida.
Una vez liberado, el
vapor se va hacia
arriba en la
atmósfera.
La condensación es
el proceso inverso a
la evaporación, por
el cual un gas o
vapor pierde energía
térmica (calor) y se
vuelve líquido.
Cuando se transfiere
calor o energía
térmica, la misma va
de un elemento que
se encuentra a mayor
temperatura a otro
de menor
temperatura.
O sea que los cuerpos de menor temperatura siempre absorben el calor de los que se encuentran a mayor temperatura.
Los refrigeradores utilizan este fenómeno para enfriar comidas y bebidas: Ofrecen un medio ambiente de baja temperatura que absorbe el calor de las bebidas y comidas, extrae ese calor mediante el llamado ciclo de refrigeración, luego ese calor es absorbido por un líquido que circula por unos tubos en contacto con las paredes internas del refrigerador, que al pasar por la parte trasera del mismo su calor es absorbido por el medio ambiente, por eso si tocan la parte posterior de un refrigerador notarán que está caliente; todo ese calor es la suma de energía térmica absorbida de los alimentos y bebidas que se encuentran dentro.
Si hacemos la analogía del refrigerador, la atmósfera vendría a ser como un gran refrigerador para los vapores y gases.
Primero el charco de agua comienza a absorber el calor de su entorno de mayor temperatura (bajando la temperatura de dicho entorno).
Esa energía térmica absorbida hace que las moléculas de agua en la superficie del charco se muevan cada vez más rápido, hasta que terminan escapándose hacia arriba en la atmósfera en forma de vapor (estado gaseoso).
Luego,
mientras ese vapor
sube cada vez más
alto en la atmósfera
a temperaturas cada
vez más bajas
(cuanto más se sube
en la tropósfera,
que es la capa más
baja de la atmósfera
en el espacio
ocupado entre la
superficie y los
12-14 kilómetros de
altura, la
temperatura va
disminuyendo),
comienza a perder
temperatura, en
otras palabras a
ceder calor que es
entregado al entorno
atmosférico que se
encuentra a más
bajas temperaturas,
o sea que la
atmósfera absorbe el
calor del vapor
hasta que este se va
condensando y se
convierte en nubes,
para luego seguir
condensándose hasta
volver al estado
líquido y por acción
de la fuerza de
gravedad terrestre
volver a caer hasta
la superficie en
forma de agua
líquida (lluvia)
volviéndose a formar
charcos de agua.
Cliquear para leer
una síntesis de cómo
funcionan los
refrigeradores.
Ahora, en lugar de
tomar solamente
charcos de agua,
tomemos, lagos,
ríos, mares y
océanos, veremos que
la cantidad de agua
evaporada en todo el
mundo es enorme,
formando gigantescas
nubosidades de
kilómetros y
kilómetros a lo
largo y ancho del
planeta.
El agua o humedad de
la tierra absorbe el
calor del entorno y
del sol. Cuando se
ha absorbido
suficiente calor,
algunas de las
moléculas del
líquido pueden tener
suficiente energía
para escapar del
líquido y comenzar a
subir en la
atmósfera en forma
de vapor.
Mientras el vapor va subiendo cada vez más alto, la temperatura de su entorno, como ya se mencionó, va descendiendo.
Finalmente el vapor pierde suficiente calor, que es entregado al aire circundante, lo cual lo termina condensando en forma líquida.
La gravedad
terrestre causa que
el agua líquida
caiga de vuelta a la
superficie
terrestre,
completando así el
ciclo del agua.
También hay que
hacer notar que si
la temperatura del
entorno es
suficientemente
fría, el vapor puede
condensarse y
cristalizarse en
forma de nieve o
agua nieve. Con los
cristales de nieve
sucederá lo mismo,
la gravedad
terrestre los
atraerá y caerán en
forma de nieve a la
superficie
terrestre.
Cliquear para
conocer todas las
etapas del ciclo del
agua
A continuación
veremos qué es lo
que causa las
tormentas
eléctricas.
Qué son las tormentas eléctricas
En una tormenta eléctrica, las nubes están cargadas como si se tratasen de capacitores gigantes en el cielo (para más información sobre qué son los capacitores leer el artículo titulado: Qué son los capacitores).
La parte de arriba de la nube está cargada positivamente y la parte de abajo negativamente (para más información acerca de qué son las cargas eléctricas leer: Curso de electrónica).
Cómo es que la nube
se carga
eléctricamente
todavía no está bien
claro en la
comunidad
científica, pero la
siguiente es una de
las causas más
probables.
Durante el proceso
del ciclo de agua
explicado
anteriormente,
mientras el vapor de
agua va ascendiendo
y perdiendo
temperatura se va
concentrando, y la
humedad se va
acumulando en la
atmósfera.
Esta acumulación de humedad es lo que vemos como una nube en el cielo. Las nubes pueden contener millones y millones de gotitas de agua y hielo suspendidas en el aire.
Mientras el proceso de evaporación y condensación continúa, estas gotitas de agua y hielo de la nube colisionan con más humedad de vapor que viene de abajo en ascenso y que se encuentra a su vez en proceso de condensación según va aumentando su altura.
Por otro lado ese vapor de agua en ascenso también puede chocar con las gotitas de agua o agua nieve que van cayendo por efecto de la gravedad tras su condensación o que se encuentran en la parte de abajo de la nube a punto de caer.
La importancia que tienen estos choques o colisiones entre el vapor ascendente y las gotitas de agua o agua nieve ya condensadas es que los electrones del vapor son arrancados creando una carga positiva en el mismo que termina ubicándose en la parte de arriba de la nube cuando se detiene su ascenso.
Las gotas de agua ya condensadas que se encuentran en la parte de abajo de la nube, a punto de caer en cualquier momento, toman esos electrones y quedan cargados negativamente (los electrones tienen carga negativa, para más información leer: Curso de electrónica).
Esto genera una diferencia de carga entre la parte de arriba y de abajo de la nube, ya que los electrones arrancados del vapor en ascenso, tras chocar con las gotas de agua de la parte de abajo de la nube, saltan a dichas gotas, cargándolas negativamente.
Mientras tanto el vapor en ascenso que pierde los electrones, queda cargado positivamente, llevando consigo dicha carga positiva hasta la parte de arriba de la nube, donde su ascenso se detendrá ya que habrá perdido suficiente energía térmica y comenzará su proceso de condensación dentro de la nube.
De esa
manera la parte de
abajo de la nube
quedará cargada
negativamente y la
parte de arriba
positivamente.
Además de las
colisiones, el
efecto de
congelamiento de la
humedad en ascenso
juega un papel
importante. Mientras
dicha humedad llega
a zonas de bajísimas
temperaturas en la
parte de arriba de
la nube y comienza a
congelarse, las
partes de la misma
ya congeladas se
cargan negativamente
y las partes que
todavía son gotitas
de agua no
congeladas se cargan
positivamente.
En
ese momento de vez
en cuando algunas
ráfagas de aire
internas que van
hacia arriba de la
nube empujan a las
gotitas de agua
cargadas
positivamente hacia
el tope de la nube,
mientras que por su
propio peso las
partes congeladas
como cristales de
hielo (y cargadas
negativamente)
caerían hacia la
parte de abajo de la
nube o continuarían
su caída hacia el
suelo de la
superficie
terrestre.
Si se combinan los
dos efectos de las
colisiones y el
congelamiento, y
continúa aumentando
la diferencia de
carga por las
millones y millones
de gotas que se
suman y el continuo
proceso de vapor de
agua en ascenso,
llega un momento que
dicha diferencia de
carga se hace tan
extremadamente
grande que si se
libera, lo hará
soltando una
impresionante
cantidad de energía
acumulada, por su
puesto en la forma
de un rayo.
Cuando se genera una
diferencia de carga
dentro de la nube
entre su parte
inferior y superior,
también se genera un
poderoso campo
eléctrico a su
alrededor. Y al
igual que la nube,
este campo está
cargado
negativamente en su
parte inferior y
positivamente en su
parte superior.
La fuerza o
intensidad del campo
eléctrico es
directamente
proporcional a la
cantidad de
diferencia de carga
que se genera entre
las partes de abajo
y arriba de la nube,
o sea el número de
electrones
arrancados del vapor
en ascenso que se
quedan en la parte
de abajo de la nube,
dejando con un igual
número de déficit de
dichos electrones al
vapor que ha
ascendido a la parte
superior de la
misma.
Mientras los
procesos de
colisiones y
congelamiento
continúan y la
diferencia de carga
entre la parte
inferior y superior
de la nube aumenta,
el campo eléctrico
que se genera
alrededor se va
volviendo más y más
intenso; tan
intenso, que los
electrones de los
átomos de la
superficie de la
tierra son repelidos
por la poderosísima
carga negativa que
se forma en la parte
inferior de la nube
(recordemos que las
cargas iguales se
repelen entre sí,
mientras que las
cargas opuestas se
atraen), haciendo
que estos electrones
de la superficie
vayan hacia abajo,
ingresando bien en
el subsuelo
terrestre. Esta gran
repulsión de
electrones causa que
la superficie
terrestre quede
cargada
positivamente.
Todo lo que falta ahora es un camino conductor para hacer que los electrones de la parte inferior de la nube (cargada negativamente por exceso de electrones) se dirijan hacia la superficie terrestre que ha perdido electrones (y cargada positivamente por déficit de electrones), para lograr nuevamente el equilibrio de electrones entre ambas partes.
El poderoso campo
eléctrico que se ha
formado creará este
camino o hilo
conductor a través
de un proceso
llamado ionización
del aire.
Ionización del aire
El poderoso campo eléctrico que se genera, también causa que todo el aire alrededor de la nube se ionice, eso significa que el aire neutro y aislante quede separado en electrones arrancados de los átomos de ciertas partículas del aire y átomos cargados positivamente por haber perdido dichos electrones.
En otras palabras queda separado en cargas positivas (átomos con menos electrones que protones) y negativas (electrones sueltos), generando así un perfecto espacio conductor para que los electrones de la parte inferior de la nube puedan viajar hasta el suelo que se encuentra cargado positivamente.
Si no
saben bien cómo son
los átomos y qué son
las cargas,
nuevamente les
sugiero leer las
primeras partes del
Curso
de electrónica:
Cuando el campo de
electricidad formado
alrededor de la nube
se vuelve demasiado
fuerte y del orden
de decenas de miles
de volts por
centímetro, las
condiciones se
vuelven perfectas
para comenzar a
"romper" o "partir
en iones" al aire
circundante; en
iones positivos y
electrones (que
siempre son
negativos
obviamente).
El aire se ha ionizado. Esto no significa que hayan más electrones o más átomos que antes, la cantidad es la misma, solamente que ahora han quedado separados algunos electrones de sus átomos originales generándose cargas positivas de átomos con menos electrones y cargas negativas de electrones sueltos, convirtiéndose el aire circundante por unos instantes en un conductor eléctrico.
Los materiales conductores son exactamente eso, cuerpos con iones positivos y negativos (electrones sueltos que saltan de aquí para allá dentro del cuerpo).
Por lo
tanto se puede decir
que ionizar el aire
es arrancar
electrones de los
átomos de ciertas
partículas del aire,
rompiendo la
estructura atómica
en la que hay igual
número de protones
(positivos) y
electrones
(negativos) en cada
átomo.
La importancia de esta separación es que los electrones ahora están libres para moverse con mucha mayor facilidad que antes de la separación.
Así que este aire ionizado, al que también se lo suele llamar plasma, es mucho más conductor eléctrico que el aire en su estado no ionizado.
De hecho esta libertad de los electrones que permite que se muevan de un lugar al otro es lo que hace que un cuerpo se convierta en un buen conductor de electricidad.
De
hecho, los metales a
veces son definidos
como núcleos
atómicos cargados
positivamente
rodeados por una
nube de electrones.
Esa nube de
electrones
moviéndose
libremente es lo que
hace que muchos
metales sean buenos
conductores
eléctricos.
Estos electrones
tienen excelente
mobilidad,
permitiendo que la
corriente eléctrica
(electrones) fluya o
circule.
La ionización del aire crea plasma con propiedades conductivas similares a las de los metales conductores eléctricos.
Para ponerlo en palabras muy simples: como ionizar el aire es quitar electrones de una cierta cantidad de átomos de las partículas del aire circundante, dejando huecos por donde podrán ir saltando o pasando los electrones de la parte inferior de la nube para que puedan llegar hasta los átomos cargados positivamente del suelo de la superficie terrestre; esto vendría a ser como marcar un camino para dichos electrones, como si se excavara un túnel a través de una montaña para que los automóviles o trenes puedan transitar.
Luego del proceso de
ionización, se forma
el camino para que
los electrones
puedan transitar
entre la parte
inferior de la nube
cargada
negativamente por
exceso de electrones
hacia la superficie
terrestre cargada
positivamente por
déficit de
electrones en sus
átomos.
Rutas principales de
paso
Una vez comenzado el proceso de ionización explicado en la sección anterior y que se haya formado el plasma (aire ionizado), el camino por el que transitarán los electrones no se crea instantáneamente.
De
hecho, usualmente se
generan varios
senderos separados
de aire ionizado que
parten desde la
nube. Estos senderos
o caminos por el que
transitarán los
electrones se llaman
rutas principales de
paso.
Las rutas de paso se
propagan hacia la
tierra en etapas,
que no
necesariamente
terminan formando
una línea recta
hacia la tierra.
El aire no se ioniza de igual manera en todas las direcciones, el polvo u otras impurezas del aire puede que ayuden a que éste se ionice más fácilmente en determinadas direcciones en las que las impurezas o partículas de polvo se encuentran suspendidas, haciendo que la corriente eléctrica llegue más rápido a la tierra por esa ruta principal de paso.
Además, la forma de la nube y el campo eléctrico pueden afectar la ruta ionizada. La forma de la ruta también depende de la ubicación de las partículas cargadas, las cuales en este caso se encuentran localizadas en la parte inferior de la nube y en la superficie de la tierra.
Si la nube es paralela a la superficie de la tierra y el área que ocupa es suficientemente pequeña como para que la curvatura terrestre no sea muy notable y por ende insignificante, las dos partes cargadas (la parte inferior de la nube y la superficie terrestre) se comportarán como dos placas paralelas cargadas (como en el caso de los capacitores).
Las líneas de fuerza
o flujo eléctrico
generados por las
cargas eléctricas
serán
perpendiculares a la
nube y la tierra.
Las líneas de flujo
siempre parten
perpendicularmente
desde la superficie
de la carga
eléctrica antes de
moverse hacia su
destino (la
ubicación de la
carga opuesta).
Sin embargo como la parte inferior de las nubes no son rectas sino que más bien irregulares, las líneas de flujo no serán uniformes. La falta de un fuerza uniforme hará que las rutas principales de paso no seguirán una trayectoria en línea recta a la tierra.
Teniendo en cuenta estas posibilidades, es obvio que hay varios factores que afectan la dirección de la ruta principal de paso.
Como bien
nos han enseñado en
la escuela, la
distancia más
pequeña entre dos
puntos es una línea
recta; pero en el
caso de campos
eléctrico, las
líneas de fuerza o
de flujo puede que
no sigan la
distancia más corta,
ya que la distancia
más corta no es
siempre la de menor
resistencia
eléctrica.
Así que ya se tiene una nube cargada eléctricamente con diferentes rutas de paso armándose en diferentes etapas hacia abajo y siguiendo distintas direcciones.
Las rutas de paso tienen un brillo tenue tirando a color púrpura. De cada una de estas rutas de paso pueden brotar otras nuevas.
Las rutas de paso permanecerán hasta que la corriente fluya, independientemente de que se trate de la ruta que ha llegado ha tocar el suelo primero o no.
Para cada ruta de paso que se forma hay dos posibilidades, una es continuar creciendo en etapas o esperar en su forma actual hasta que otra ruta haya tocado la meta primero, o sea el suelo.
La ruta de paso que
llegue primero al
suelo, es la que se
convertirá en el
puente conductivo
que permitirá que
los electrones
sobrantes de la
parte inferior de la
nube se trasladen al
suelo cargado
positivamente y
llenen los espacios
de electrones
faltantes en los
átomos de la
superficie en la
tierra.
Hay que dejar bien
claro que la ruta de
paso no es el rayo
en sí, sino que se
trata del camino por
el que el rayo
pasará.
El rayo propiamente dicho es el repentino e instantáneo flujo de electrones que se mueven desde la parte inferior de la nube al suelo; cuya energía es tan alta que genera un poderoso destello lumínico.
O sea que
el rayo es
literalmente la
descarga eléctrica o
paso de los
electrones de la
zona cargada
negativamente a la
que está cargada
positivamente.
Ya vimos lo que
sucede en la nube y
el aire antes de
liberarse el rayo
con su gran descarga
eléctrica. A
continuación veremos
lo que sucede en la
superficie de la
tierra y los objetos
que se encuentran
allí (edificios,
automóviles,
árboles, personas,
etc).
Corrientes positivas
del suelo
Mientras las rutas de paso se van acercando a la tierra, los objetos de la superficie comienzan a responder al poderoso campo eléctrico. Los objetos de la superficie comienzan a desarrollar, por su parte, corrientes positivas (de carga positiva) que se dirigen hacia arriba. Estas corrientes también tienen un color algo púrpura.
El cuerpo humano también puede producir este tipo de corrientes positivas cuando se exponen a un poderoso campo eléctrico como el de la nube en una tormenta.
De hecho cualquier objeto de la superficie es potencialmente capaz de generar estas corrientes positivas.
Estas corrientes positivas se generan por la poderosa fuerza de atracción generada por los electrones que se encuentran en la parte inferior de la nube, haciendo que algunos átomos cargados positivamente (por déficit de electrones) de la superficie comiencen a enfilarse hacia arriba, formando una pequeña (a comparación con la ruta de paso que viene de arriba) columna irregular que se dirige hacia arriba.
Sin embargo estas corrientes positivas no suben demasiado alto, ya que las encargadas de juntar a la nube con la superficie son la rutas de paso descritas en la sección anterior.
Por lo que las
corrientes positivas
se extienden un
poco, esperando a
que una ruta de paso
entre en contacto
con alguna de ellas.
A continuación lo
que ocurre es el
encuentro de una de
las rutas de paso
con una de las
corrientes
positivas. La
corriente positiva
alcanzada por la
ruta de paso que
llega primero a la
superficie no es
necesariamente la
corriente más alta y
cercana a la nube.
Es necesario aclarar que es muy común que los rayos golpeen el piso incluso si en la zona hay un árbol o un poste de luz o cualquier otro objeto de altura.
Esto sucede porque
las rutas de paso no
tienen forma de
línea recta, por lo
que también pueden
terminar aterrizando
en el piso en lugar
de golpear un objeto
más alto.
Luego de que la ruta
de paso y la
corriente positiva
se juntan, el aire
ionizado completa el
puente, dejando un
sendero o hilo
conductor de aire
ionizado que va de
la nube hasta la
tierra.
Con el hilo o puente conductor completo, la corriente eléctrica (electrones) circulan de la nube a la tierra. La descarga eléctrica de electrones de más moviéndose hacia los átomos del suelo con déficit electrones es la manera que tiene la naturaleza de equilibrar la diferencia de carga entre la parte inferior de la nube y la superficie terrestre.
Ese fluir
de electrones es una
descarga eléctrica y
esa descarga
eléctrica es el rayo
propiamente dicho.
Cada vez que hay
corriente eléctrica
circulando (o sea
electrones
moviéndose de la
carga negativa a la
positiva) se genera
calor o energía
térmica. La energía
eléctrica y cinética
(energía de
movimiento) de los
electrones se
transforman en
energía térmica
(calor).
Dado que en un rayo la cantidad de electrones y su energía asociada es mucho mayor, la energía térmica o calor generado es muchísimo mayor.
De hecho los rayos tienen mayor temperatura que la superficie del Sol. Este enorme calor es lo que genera la luz brillante blanco-azulada que se ve cada vez hay un rayo. Ese mismo calor es lo que genera la energía lumínica del rayo.
Como ya sabrán, la
energía no se crea
ni desaparece,
simplemente se
transforma de un
tipo de energía a
otra, por lo tanto
la energía eléctrica
de los electrones
circulando
se transforma en
energía térmica que
a su vez provoca que
los electrones de
los átomos de aire
que se encuentran
alrededor del rayo
absorban esa energía
térmica y la
manifiesten en forma
de energía lumínica
(luz); generando así
el brillante
destello
que marca la ruta o
camino que siguen
los electrones que
se dirigen de la
parte inferior de la
nube al suelo. La
cantidad de energía
siempre es la misma,
lo único que varía
es su tipo.
Una ruta de paso
logra unirse con una
corriente positiva
(Cliquear para ver
en grande)
Qué son los truenos
Cuando una ruta de
paso y una corriente
positiva se juntan y
la corriente
eléctrica circula
(ocurre el rayo), el
aire alrededor del
rayo se vuelve de
repente
extremadamente
caliente, tan
caliente que lo
expande o dilata muy
rápidamente
generando una
explosión. Esa
explosión hace un
poderoso ruido que
se lo conoce como
trueno.
El trueno es un
poderoso movimiento
ondulatorio del aire
que se irradia desde
el trueno hacia los
costados del mismo.
Cuando el aire se calienta mucho, se expande rápidamente, creando una onda que se propaga por el aire circundante.
Esa onda que golpea
y comprime a las
partículas de aire
circundante se
manifiesta en la
forma de sonido, un
sonido muy fuerte.
Eso no significa que
el trueno no sea
peligroso, de hecho
hay veces que sí
puede causar daños
físicos. Si una
persona se encuentra
demasiado cerca se
puede sentir la onda
expansiva haciendo
estremecer o
agitando a la zona
circundante al rayo.
Para hacer una
comparación, hay que
tener en cuenta que
cuando ocurre
una
explosión nuclear,
la mayor destrucción
física es causada
por la energía
cinética (de
movimiento) de la
onda expansiva del
aire agitado por la
explosión.
La onda expansiva de
un trueno provocado
por un rayo, puede
dañar estructuras,
árboles y personas.
El peligro es mucho
mayor cuando uno se
encuentra cerca del
rayo, dado que el
agite o sacudón
ondulatorio del aire
es mayor ahí, y se
va debilitando con
la distancia.
El sonido viaja
mucho más despacio
que la luz, a unos
343 metros por
segundo o 1234,8
kilómetros por hora;
o sea que recorre 1
kilómetro cada 2,91
segundos.
Por su parte la luz viaja a casi 300.000 kilómetros por segundo (299.792,448 km/s para ser exactos). O sea que mientras el sonido en un segundo recorre 343 metros, la luz en ese mismo tiempo cubre casi la misma distancia que hay de aquí a la luna.
Por eso, a
pesar que el
destello de luz y el
trueno ocurren en el
mismo instante, a
gran distancia
siempre se ve
primero es destello
del rayo y luego se
escucha el sonido
del trueno.
Por ejemplo si el
rayo se encuentra a
5 kilómetros de
distancia de donde
uno se encuentra, la
luz tardará en
llegar 0,0000167
segundos; por lo que
se verá casi al
instante de
ocurrido, sin
embargo el trueno se
escuchará unos 14,58
segundos más tarde
dado que viaja a 343
metros por segundo.
Un truco para
conocer
aproximadamente a
qué distancia se
encuentra un rayo y
por ende la tormenta
eléctrica es
comenzar a contar
segundos
inmediatamente luego
de visto el destello
del rayo y hasta que
suene el trueno.
Por cada 3 segundos
que pasen se tiene
aproximadamente 1
kilómetro.
Por lo que si se
registran unos 15
segundos entre el
destello de luz y el
trueno, el rayo y
por ende la tormenta
eléctrica se
encuentra
aproximadamente a
unos 5 kilómetros de
distancia si pasan 3
segundos se
encuentra a 1
kilómetro.
El
tiempo que tarda en
llegar la luz del
destello no se tiene
en cuenta porque en
términos humanos y
prácticos es
insignificante, por
lo que solamente se
cuantifica lo que
tarda el trueno en
llegar dado que
viaja a la velocidad
del sonido.
http://www.youbioit.com/es/article
/shared-information/18201/que-son-los-rayos
Véase también
Referencias
- ↑ http://www.tudiscovery.com/experiencia/contenidos/rayos/
- ↑ Aunque la palabra ceraunología no existe en el diccionario de la RAE, es una palabra técnica utilizada en meteorología.
- ↑ «Definición de Ceraunología». Consultado el 8 de febrero de 2012.
- ↑ Micah Fink for PBS. «How Lightning Forms». Public Broadcasting System.
- ↑ a b National Weather Service (2007). «Lightning Safety». National Weather Service.
- ↑ NGDC - NOAA. «Volcanic Lightning». National Geophysical Data Center - NOAA.
- ↑ USGS (1998). «Bench collapse sparks lightning, roiling clouds». United States Geological Society.
- ↑ «Electric Ice». NASA. Consultado el 05-07-2007.
- ↑ Theories of lightning formation
- ↑ Frazier, Alicia (12 de diciembre de 2005 (dead link)). «Theories of lightning formation». Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, University of Colorado, Boulder. Archivado desde el original el June 3, 2007. Consultado el 29-07-2007.
- ↑ Kasemir, H. W., "Qualitative Übersicht über Potential-, Feld- und Ladungsverhaltnisse bei einer Blitzentladung in der Gewitterwolke" (Qualitative survey of the potential, field and charge conditions during a lightning discharge in the thunderstorm cloud) in Das Gewitter (The Thunderstorm), H. Israel, ed. (Leipzig, Germany: Akademische Verlagsgesellschaft, 1950).
- ↑ Obituary: Heinz Wolfram Kasemir (1930-2007), German-American physicist: http://www.physicstoday.org/obits/notice_157.shtml
-
↑
http://web.archive.org/web/20050416080351/http:
//www.erh.noaa.gov/er/lwx/lightning/lgtng-hits-tree.jpg - ↑ Goulde, R.H., 1977: The lightning conuctor. Lightning Protection, R.H. Goulde, Ed., Lightning, Vol. 2, Academic Press, 545-576.
- ↑ Ultra slow motion video of stepped leader propagation: http://www.ztresearch.com/ .
- ↑ «Beaded Lightning». Glossary of Meteorology, 2nd edition. American Meteorological Society (AMS) (2000). Consultado el 31-07-2007.
- ↑ Uman (1986) Chapter 16, pages 139-143
- ↑ «Glossary». National Oceanic and Atmospheric Administration. National Weather Service. Consultado el 02-09-2008.
- ↑ Dr. Hugh J. Christian; Melanie A. McCook. «A Lightning Primer - Characteristics of a Storm». NASA. Consultado el 08-02-2009.
Fuentes
- Gary, C.: La foudre. "Des mythologies antiques a la recherche moderne." Paris, Jassou, ISBN 2-225-84507-7 (1994)
Enlaces externos
- Prevenir la muerte por fulguración. Habitosysalud.com
- Relámpagos Nocivos NASA
- Qué son los rayos
- Formación del rayo
