miércoles, 7 de diciembre de 2016

CAYENDO RAYOS

Los rayos son uno de los fenómenos de la naturaleza más espectaculares que podemos observar con cierta facilidad y regularidad. Aunque en general solemos considerar que un rayo es una descarga eléctrica que se produce entre una nube y el suelo, la verdad es que puede producirse en cualquier situación en la que una gran carga eléctrica sobrepase el potencial de ruptura del aire. Estas situaciones pueden ser erupciones de un volcán y tormentas de arena o nieve (muy poco frecuentes pero que ocurren). Por otro lado, si nos fijamos en la típica tormenta con nubes, los rayos pueden producirse por descargas en varias situaciones: nube-nube, interior de una nube (las más comunes de todas), nube-aire o nube suelo.

Erupción en 2015 del volcán Calbuco en Chile (Fuente BBC Mundo)

Pero fijémonos en aquella situación que observamos de manera más frecuente: rayos producidos por descargas entre las nubes y el suelo.

La producción de un rayo tiene una duración muy corta. Por ello, lo que a nuestros ojos aparece como un único proceso es la combinación en realidad de varios procesos (descargas) que duran unas decenas de milisegundos. En general, estas descargas iniciales suelen ser tres o cuatro aunque en algunas tormentas se han llegado a medir hasta 26 descargas. La pregunta siguiente parece obvia, ¿cómo se produce cada una de esas descargas?...

Representación de la Descarga Guía
Una de estas descargas se produce cuando se alcanza el potencia de ruptura del aire cerca de una nube. Esto produce que una columna de carga negativa, denominada Descarga Guía, se mueva hacia el suelo una velocidad ligeramente superior a los 100 m/s. Esta primera descarga tiene forma de escalera porque el movimiento se produce a saltos discretos de 50 m aproximadamente y con un intervalo de tiempo de unos 50 ms entre salto y salto. ¿Por qué este proceso es discontinuo?... La culpa la tiene la variación de la densidad atmosférica que se produce por los electrones libres presentes en el aire. Esta descarga guía tiene una anchura de unos cuantos metros y su luminosidad es muy limitada (no es el rayo que nosotros estamos acostumbrados a ver).

Cuando el extremo de la descarga guía se acerca al suelo, puede provocar un segundo potencial de ruptura en el aire cerca del suelo (esto suele ocurrir en el extremos de un objeto con punta como mástiles, antenas o pararrayos). El resultado es que una columna con carga positiva se desplaza hacia arriba produciendo lo que se conoce como Descarga de Retorno. Las descargas guía y de retorno al encontrarse (entre 20 y 200 m del suelo) producen un cortocircuito y los electrones se desplazan entre la nube y el suelo con el extremo de transferencia de electrones moviéndose hacia arriba a velocidades próximas a la mitad de la velocidad del sonido (aproximadamente, la velocidad del sonido es 340 m/s). Este hecho provoca que una gran corriente de electrones se mueva en una región de unos pocos centímetros. Esta corriente eleva la temperatura del aire muy rápidamente y se ionizan los átomos presentes en la atmósfera (fundamentalmente nitrógeno y oxígeno). Como consecuencia se produce el resplandor que todos estamos acostumbrados a ver.

Producida la descarga, el canal abierto mantiene su conductividad durante unos milisegundos. Si la nube presenta más carga negativa puede producirse una nueva descarga, y con ella, un nuevo rayo. Como el canal está abierto, no se produce descarga guía. Muy al contrario, se mueve de forma rápida y continúa y recibe el nombre de Descarga Rápida. Con la descarga rápida vuelve a producirse todo el proceso descrito anteriormente.

Rayo producido en una tormenta (Fuente National Geographic en Español)

¿Y el trueno?... Cuando la corriente atraviesa el canal abierto, el aire se transforma en plasma (con temperaturas medias de 30000 K). Esto hace que aumente la presión de forma repentina y el plasma se expande también rápidamente. Esta expansión produce una onda de choque en el aire que lo rodea y ya tenemos el trueno que llega a nuestros oídos.

La Tierra, en general, es un buen conductor eléctrico. Si no existen fenómenos tormentosos y las condiciones meteorológicas son buenas y estables, podemos aproximar el valor del Campo Eléctrico sobre la superficie de la Tierra a unos 100 N/C. Este campo eléctrico está dirigido hacia abajo porque la carga en la superficie terrestre es negativa. La gran concentración de carga en la nube tormentosa es la responsable del intenso campo eléctrico que se genera entre la nube y el suelo y que lleva a la producción de los rayos. Este campo eléctrico puede alcanzar valores de hasta 25000 N/C durante la tormenta.

En la siguiente imagen se muestra la distribución de carga en una nube tormentosa.

(Fuente: Física. Serway-Jewett)

La nube tormentosa se aproxima a un tripolo. La carga positiva de la zona superior y la carga negativa de la zona central son aproximadamente iguales pero la carga positiva en la zona baja de la nube suele ser ligeramente inferior. ¿Y cómo se carga la nube?... Actualmente no se conoce bien el mecanismo que produce la carga de una nube y es un campo de investigación abierto y en continuo desarrollo.

Vista la distribución de carga existente entre la superficie de la Tierra (negativa) y la atmósfera (positiva), ¿podríamos hablar de un condensador planetario?... En una aproximación sencilla, podríamos responder afirmativamente a esta respuesta. La superficie de la Tierra sería una de las placas y el aire sería la otra. Dado que la carga en la atmósfera no se sitúa toda a la misma altura debemos hacer otra simplificación. En general, los modelos de la atmósfera toman una altura para esta placa atmosférica de 5 km sobre la superficie terrestre.

¿Y que capacidad tiene este macrocondensador terráqueo?... Como siempre, haciendo aproximaciones para simplificar los cálculos, podemos considerar que nuestro condensador terráqueo es de casi 1 Faradio. Puede parecer poco pero los condensadores utilizados en los circuitos eléctricos empleados en nuestros dispositivos más comunes tienen una capacidad que está en el orden de los microfaradios y los picofaradios.

En el siguiente vídeo podemos ver cómo simular rayos con la ayuda de una bola de plasma:







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