Esta mañana, mientras me dirigía al centro de la ciudad vi cómo un rayo golpeaba un remoto edificio; eran las 10:00 de la mañana. Esta historia, que en primera aproximación parece inútil, me llevó a preguntarme: ¿cuántas veces he escuchado un trueno o visto un relámpago antes del mediodía? Un rápido repaso a mi memoria me permitía darme cuenta de que sólo recordaba haber escuchado uno a las nueve de la mañana, ninguno otro, sin importar qué tan amenazante estuviera el cielo matinal. Esta entrada es un intento por comprender este fenómeno.
Cada segundo 44 rayos golpean el planeta; cuando hayas llegado al final de esta entrada (digamos que tardes 5 minutos en leerla), 13200 rayos habrán alcanzado algún punto de la corteza terrestre, cada uno de ellos nacido en una de las 16 millones de tormentas eléctricas que se crean anualmente, dándonos un total de 1400 millones de estos increíbles fenómenos a lo largo del año.
¿Cómo se produce un rayo?.
Experiencias sencillas muestran que en la naturaleza existen fenómenos de fuerzas y cargas eléctricas, por ejemplo, al frotar un lapicero contra el cabello en repetidas ocasiones podemos lograr que pequeños trozos de papel se adhieran a él, o al tomar por la mitad una pequeña cinta de plástico y frotarla con los dedos podemos observar cómo estas se repelen, más aun, en días secos y después de caminar por alfombras o superficies sintéticas podemos propinarle a otra persona una descarga eléctrica.
En los museos de ciencias son comunes los experimentos con generadores electrostáticos de Van de Graaf y la máquina de Wimshurst1, ambos son generadores por fricción y producen descargas que pueden superar los cientos de miles de voltios.
Maquina de Wimshurst (MIT physics demo) y experimento electrostático simple.
Es natural relacionar estas experiencias simples con el poder abrumador de estos fenómenos. Podemos entender entonces una tormenta eléctrica activa como un generador electrostático suspendido en la atmósfera; pero ésta no es toda la historia, los rayos, pese a ser tan comunes, no son entendidos completamente.
Pequeñas gotas de agua ascienden en la atmósfera hasta alcanzar alturas donde se puedan sobrefusionar2, es decir , lo que ocurre cuando un líquido se enfría muy por debajo de su punto de congelamiento sin que este se solidifique. En este punto las gotas de agua sobrefusionada chocan y friccionan con cristales de hielo que se encuentran en las capas altas de la atmósfera3, al frotarse las gotas sobrefusionadas y los cristales de hielo se produce carga electrostática (de manera similar a la experiencia del lapicero). Los cristales de hielo son más livianos que las gotas de agua, las corrientes de aire empujan los cristales cargados hacia la parte superior de la nube, mientras que las gotas de agua, que también están cargadas eléctricamente, descienden por acción de la gravedad terrestre. En este punto la nube se polariza, así, la parte superior obtiene carga positiva mientras que la parte inferior queda con carga negativa.
A medida que la nube de tormenta pasa sobre la tierra crea una carga igual y opuesta a la que tiene la base de la nube, lo único que separa la carga en el inferior de la nube y la carga en la tierra es el aire, que es un aislante eléctrico, pero todos los materiales tienen un límite, si el potencial eléctrico es muy alto el aislante deja de ser efectivo. En este punto tenemos todos los ingredientes para producir una descarga eléctrica.
A medida que la nube de tormenta pasa sobre la tierra crea una carga igual y opuesta a la que tiene la base de la nube, lo único que separa la carga en el inferior de la nube y la carga en la tierra es el aire, que es un aislante eléctrico, pero todos los materiales tienen un límite, si el potencial eléctrico es muy alto el aislante deja de ser efectivo. En este punto tenemos todos los ingredientes para producir una descarga eléctrica.
©1999 Science Joy Wagon
Pero la historia no termina acá, existen cuatro tipos de rayos:
a) Rayo negativo hacia abajo.
b) Rayo positivo hacia abajo.
c) Rayo positivo hacia arriba.
d) Rayo negativo hacia arriba.
Tipos de rayos4
Todos los rayos en la gráfica anterior pueden ser entendidos como el transporte de una carga eléctrica desde la nube a la tierra.
Los rayos negativos son, por mucho, los mas comunes, el 95% de las descargas nube-tierra son de este tipo5. Generalmente se forman en la parte inferior de la nube, que está cargada negativamente. De la nube se crea un camino conductor entre la nube y la corteza terrestre, depositando carga negativa en su camino, inmediatamente se genera un retorno, que se mueve desde la tierra hasta la nube siguiendo el camino inicial, este proceso trasporta carga negativa desde la nube hasta la tierra. Los rayos negativos ascendentes solo se general sobre objetos altos, o sobre montañas. Un rayo negativo típico puede portar una corriente de 30000 amperios y una energía aproximada de 1 teravatio (1012 watts), pensemos que una bombilla incandescente consume al rededor de 100 watts por hora.
Rayo negativo descendente: En el minuto 2:54 se muestra el efecto descrito.
Rayo ascendente.
Los rayos positivos son menos comunes que sus contrapuestos negativos (el 5% del total de rayos) y generalmente se producen en las nubes con forma de yunque (o cumulonimbus); estos rayos recorren varios kilómetros de forma horizontal hasta hallar un punto en la superficie que tenga carga negativa, inmediatamente después, desde la tierra sale un rayo que se encuentra con el proveniente del yunque produciéndose una descarga de energía. Los rayos positivos, por recorrer una distancia más larga, tienen 10 veces más energía que los rayos negativos comunes6. Los rayos positivos ascendentes solo se generan desde lugares altos.
Un rayo positivo promedio transporta una corriente de unos 300000 amperios y puede calentar el aire a su alrededor a una temperatura cercana a los 20.000 °C. Podemos comparar con la temperatura en la superficie del sol, que es aproximadamente 6000°C.
Un rayo positivo promedio transporta una corriente de unos 300000 amperios y puede calentar el aire a su alrededor a una temperatura cercana a los 20.000 °C. Podemos comparar con la temperatura en la superficie del sol, que es aproximadamente 6000°C.
Rayo positivo desde la parte superior de un comulonimbus.
Rayos globulares.
Es un fenómeno raro y aun sin explicación oficial, son esferas que pueden tener algunos centímetros hasta algunos metros de diámetro. Están relacionadas con tormentas eléctricas cercanas y caída de rayos en lugares cercanos.
descripción del siglo XIX de u rayo globular.
Distribución y frecuencia.
Los progenitores de los rayos son las nubes de tormenta, estas se forman cuando grandes masas de aire húmedo y caliente asciende rápidamente hasta regiones más frías, donde existen, incluso en regiones tropicales, cristales de hielo o granizo, estas nubes pueden tener más de veinte kilómetros de altura.
En las horas de la tarde el sol calienta la tierra, evaporando agua, si la masa de aire es inestable, es decir, las capas más bajas de aire están más tibias y húmedas de lo normal o las capas altas son más frías que los parámetros normales (o ambas condiciones), se puede presentar una tormenta. Esta es la causa de las tormentas en horas de la tarde.
Muchas de las tormentas que vemos en las noches se generan durante la tarde siguen activas o inician su actividad durante la noche. Aunque las condiciones que pueden generar tormentas pueden aparecer en cualquier momento, son más comunes en las tardes y en las noches, entre las 2:00 pm y las 5:00 am.
Esto responde a mi pregunta inicial, veamos ahora en que lugares son más comunes las tormentas eléctricas.
El número de relámpagos no es el mismo en todas las regiones del mundo, dos terceras partes de los rayos ocurren en las regiones tropicales7, por esta razón es común escuchar truenos en un país como Colombia y casi imposible detectarlos en la Antártica.
Datos combinados del Optical Transient Detector (1995-2003) y del Lightning Imaging Sensor (1998-2003)
que muestra el numero de golpes de rayos por kilómetro cuadrado a lo largo del año,
que muestra el numero de golpes de rayos por kilómetro cuadrado a lo largo del año,
El lugar con mayor número de descargas de rayos al año esta ubicado en la República Democrática del Congo, en una remota aldea llamada Kifuka. Es famoso el relámpago del Catatumbo, una poderosa tormenta que se genera al sur del lago Maracaibo, en Venezuela, que permanece activa durante 160 noches al año. Ciertas regiones en Colombia registran también un alto número de impactos al año.
Descargas en la alta atmósfera.
Existen otros fenómenos asociados a las tormentas eléctricas, ocurren el zonas altas de la atmósfera.
En los años 20 el físico escocés Charles T. R. Wilson8 (más conocido por ser el padre de la cámara de niebla y ganador del premio Nobel de física en 1927), predijo la existencia de dercargas cortas de energía sobre las grandes tormentas eléctricas. Pasaron más de 70 años para que Bernard Vonnegut9 confirmara las predicciones de Wilson estudiando grabaciones realizadas por los astronautas en los viajes del transbordador espacial.
En el verano de 1993 Walter Lyons ( FMA Research) y su equipo colocaron cámaras en las montañas rocosas, al mismo tiempo, Davis Sentman, de la Universidad de Alaska Fairbanks, uso aviones para tomar fotografías durante sobrevuelos a las grandes planicies de los Estados Unidos. Ambos equipos detectaron extraños fenómenos sobre las grandes nubes de tormenta.
Los dos equipos encontraron dos tipos de eventos: los elfos (en ingles elves, acrónimo de Emissions of Light and Very Low Frequency Perturbations from Electromagnetic Pulse Sources, llamados así por Walter Lyons) y los sprites (denominados por Davis Sentman), se descubrieron también los jets azules que parecen subir por encima del cumulonimbus.
Los elfos son pulsos circulares de luz con un diámetro de 400 kilómetros, con una duración de un milisegundo aproximadamente, se presentan en la ionosfera baja, a unos noventa o cien kilómetros sobre el suelo. Por su corta duración son difíciles de estudiar, su luminosidad es tan baja que es imposible verlos a siple vista9
Los sprites son regiones rojizas luminosas que se encuentran por encima de los sistemas convectivos de mesoescalas (lo que es un complejo de nubes de tormenta) y estás relacionados con los rayos positivos que surgen de la parte superior de la nube tormentosa. Su duración varia entre las centésimas y las décimas de segundo. Usualmente se inician a 75 kilómetros por sobre la tierra y descienden hasta los 40 kilómetros de altura, los puntos más bajos pueden presentar una coloración azulada.
Sprites en ta atmósfera, Imagen por: Stephen B. Mende and R. L. Rairden; Colorization By Laurie Grace.
Los jets azules, al contrario de los sprites, perecen no estar asociados con un rayo en particular, pero si dependen de una tormenta activa. Su coloración es azul, tienen forma de cono y ascienden desde el sistema tormentoso hasta unos cuarenta kilómetros sobre la superficie.
Jet azul.
Existen numerosos vídeos tomados desde los transbordadores y la estación espacial donde se pueden apreciar estos fenómenos.
Tormentas desde la Estación Espacial.
Referencias.
http://assets.cambridge.org/052158/3276/sample/0521583276WS.pdf
http://www.weatheranswer.com/public/Thunderstorm.pdf
1. Máquina de Wimshurst y su importancia pedagógica http://calima.univalle.edu.co/revista/Vol36_2/articulos/pdf/3602430.pdf
2. http://polymer.bu.edu/hes/articles/ds03.pdf
3. Ciclo del agua http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/94/Water_cycle.png
4.http://accessscience.com/popup.aspx?figID=382000FG0020&id=382000&name=figure
5.http://www.ec.gc.ca/foudre-lightning/default.asp?lang=En&n=9353715C-1
6.http://www.srh.noaa.gov/jetstream//lightning/positive.htm
7.http://www.iclp-centre.org/pdf/Invited-Lecture-1.pdf
8. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1927/wilson-lecture.pdf
9. http://barringtonleigh.net/elves/#what
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