Electricidad atmosférica

Electricidad atmosférica
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Concepto:Variación diurna de la red electromagnética de la atmósfera (o, más general, cualquier sistema eléctrico en la atmósfera de un planeta).

La electricidad atmosférica es la variación diurna de la red electromagnética de la atmósfera (o, más general, cualquier sistema eléctrico en la atmósfera de un planeta). La superficie de la Tierra, la ionosfera, y la atmósfera se conocen como el "circuito eléctrico atmosférico mundial". La electricidad atmosférica es un tema multidisciplinar.

El medio atmosférico, no sólo contiene electricidad combinado, como cualquier otra forma de la materia, sino también una cantidad considerable en estado libre y sin combinar, a veces de un tipo, a veces de otro; pero como regla general es siempre de naturaleza opuesta a la de la tierra. Diferentes capas o estratos de la atmósfera, situadas a muy corta distancia unos de otros, se encuentran frecuentemente en diferente estado eléctrico.El fenómeno de la electricidad atmosférica puede ser de tres tipos. Está el fenómeno eléctrico de las tormentas y el fenómeno de la electrificación continua en el aire, y el fenómeno de la aurora polar constituye el tercer tipo.

Historia

La detonación de las chispas procedentes de máquinas eléctricas y de frascos de Leyden sugirió a los primeros experimentadores, Hauksbee, Newton, Muro, Nollet, y Gray, que los rayos y truenos eran debidos a descargas eléctricas. En 1708, el Dr. William Wall fue uno de los primeros en observar que las descargas de chispas se parecían a un rayo en miniatura, después de observar las chispas de una pieza de ámbar cargada.

A mediados del siglo XVIII, los experimentos de Benjamín Franklin mostraron que los fenómenos eléctricos de la atmósfera no eran fundamentalmente diferentes de los producidos en el laboratorio. En 1749, Benjamin Franklin observó que el rayo posee casi todas las propiedades observables en las máquinas eléctricas.

En julio de 1750, Franklin elaboró la hipótesis de que la electricidad podría ser tomada de las nubes a través de una alta antena de metal con una punta afilada. Antes de que Franklin realizara su experimento, en 1752, Thomas-François d'Alibard erigió una barra de hierro de 40 m de alto en Marly-la-Ville, cerca de París, dibujando chispas desde una nube que pasaba.Con antenas aisladas del suelo, un investigador podría aportar un camino a tierra con un tirador aislado con cera cerca de la antena, y observar una descarga de chispa de la antena al el cable de tierra. En mayo de 1752, d'Alibard afirmó que la teoría de Franklin era correcta.

Alrededor de junio de 1752, Franklin informó de su famoso experimento realizado con la cometa. El experimento de la cometa fue repetido por Romas, que señaló chispas procedentes de una cadena metálica de 2,7 m de largo, y por Cavallo, quien hizo muchas observaciones importantes sobre la electricidad atmosférica. L.G. Lemonnier (1752) también reprodujo el experimento de Franklin con una antena, pero sustituyó el cable de tierra con algunas partículas de polvo (atracción testigo). Continuó el documento de la electrificación de la atmósfera en un día claro y la variación diurna de la electricidad de la atmósfera.

G. Beccaria (1775) confirmó los datos de variación diurna de Lemonnier y determinó que la polaridad de la carga de la atmósfera era positiva con buen tiempo. H.B. Saussure (1779) registró datos relativos a la carga inducida en un conductor en la atmósfera. El instrumento de Saussure (que contenía dos pequeñas esferas suspendidas en paralelo con dos cables finos), fue un precursor del electrómetro. Saussure encontró que la condición de buen tiempo tenía una variación anual. Saussure también encontró que había una variación con la altura.

En 1785, C.A. Coulomb descubrió la conductividad del aire. Su descubrimiento era contrario a la idea que prevalecía en ese momento de que los gases atmosféricos eran aislantes (que lo son en cierta medida, o al menos no muy buenos conductores cuando no están ionizados). Por desgracia, su investigación fue completamente ignorada.

Descripción

La electricidad atmosférica abunda en el medio ambiente, y algunos indicios de ello se encuentran a menos de un metro de la superficie de la Tierra, pero al aumentar la altura se hace más evidente. La idea principal es que el aire sobre la superficie de la tierra está por lo general, durante el buen tiempo, electrificado positivamente, o al menos es positivo con respecto a la superficie terrestre (la superficie de la Tierra es relativamente negativa).

Además, la presencia de las acciones eléctricas en la atmósfera, debido a la acumulación de enormes cargas estáticas de corriente generada probablemente por la fricción del aire sobre sí mismo, puede dar cuenta de los diversos fenómenos del rayo y las tormentas. Otras causas que producen electricidad en la atmósfera son, la evaporación desde la superficie de la Tierra, los cambios químicos que tienen lugar sobre la superficie de la Tierra, y la expansión, la condensación, y la variación de la temperatura de la atmósfera y de la humedad contenida en él.

Según M. Peltier, el globo terrestre es completamente negativo, y el espacio interplanetario positivo; la atmósfera por sí misma no tiene electricidad, y está sólo en un estado pasivo, de modo que los efectos observados se deben a la influencia relativa de estos dos grandes almacenes de electricidad.

Mediciones de la atmósfera

Las mediciones de la electricidad atmosférica puede ser vistas como mediciones de la diferencia de potencial entre un punto de la superficie de la Tierra, y un punto en alguna parte en el aire encima de ella. Se ha encontrado que la atmósfera en diferentes regiones tiene a menudo diferentes potenciales locales, que difieren del potencial de la tierra a veces incluso hasta en 100 voltios por cada metro de altura. El campo electrostático y la diferencia de potencial del campo terrestre de acuerdo con las investigaciones, es en verano de 60 a 100 voltios, y en invierno de 300 a 500 voltios por metro de diferencia en altura, un simple cálculo da el resultado de que, cuando un colector se dispone, por ejemplo, en el suelo, y un segundo colector está montado verticalmente sobre ella a una distancia de 2000 metros y ambos están conectados por un cable de conducción, hay una diferencia de potencial en el verano de alrededor de 2.000.000 voltios y en invierno incluso de 6.000.000 voltios y más.

Variaciones

Han existido varias conjeturas especulativas sobre el origen de estos periodos meteorológicos semi-diurnos, pero han sido generalmente de carácter secundario. Una causa principal, debe atribuirse a los muchos procesos complejos que se deben a la termodinámica de la radiación. Se cree que con la experiencia suficiente las fórmulas que se han deducido aquí, e ilustró, se pueden utilizar para obtener otros valiosos datos sobre las actividades atómicas y subatómicas implicadas en las variaciones de los términos fundamentales y sus muy numerosos derivados.

Las variaciones diurnas encontrados por las indicaciones diarias (durante el buen tiempo) mostraron dos máximos que se producen en verano con aproximadamente doce horas de separación y dos mínimos, que en verano fueron aproximadamente con nueve horas de diferencia. Los máximos se corresponden bastante bien con las horas de los cambios de temperatura, los mínimos con los de temperatura constante. La electricidad atmosférica, considerada de manera general, alcanza su máximo en enero, y luego disminuye progresivamente hasta el mes de junio, en que presenta un mínimo de intensidad; aumenta durante los meses siguientes hasta final del año. La diferencia entre el máximo y el mínimo es mucho más sensible para un buen clima en que durante el tiempo nublado.

Durante los diferentes meses, la electricidad del aire es más fuerte cuando el cielo está sereno que cuando está nublado, excepto hacia los meses de junio y julio, cuando la electricidad alcanza un máximo, cuyo valor es aproximadamente el mismo, cualquiera que sea ser el estado del cielo.

Espacio exterior y espacio cercano

En el espacio exterior, la magnetopausa fluye a lo largo de la frontera entre la región alrededor de un objeto astronómico (denominada "magnetosfera") y alrededor del plasma, en la que predominan los fenómenos eléctricos u organizados por este campo magnético. La Tierra está rodeada de una magnetosfera, así como los planetas magnetizados Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Mercurio está magnetizado, pero muy débilmente para atrapar el plasma. Marte tiene magnetización superficial irregular. La magnetosfera es el lugar donde la presión magnética hacia el exterior del campo magnético de la Tierra se ve compensada por el viento solar, un plasma.

La mayoría de las partículas solares son desviadas a cada lado de la magnetopausa. Sin embargo, algunas partículas quedan atrapadas dentro del campo magnético de la Tierra y forman cinturones de radiación. El cinturón de radiación de Van Allen es un toro de partículas cargadas de energía (es decir, un plasma) alrededor de la Tierra, atrapadas por el campo magnético de la Tierra.

Corrientes eléctricas creadas en la ionosfera por el Sol.

En altitudes superiores a las nubes, la electricidad atmosférica forma un continuo y diferenciado elemento (llamado Electrosfera) que rodea la Tierra. La capa Electrosfera (de decenas de kilómetros desde la superficie de la tierra a la ionosfera) tiene una alta conductividad eléctrica y está esencialmente a un potencial eléctrico constante. La ionosfera es el borde interior de la magnetosfera y es la parte de la atmósfera que está ionizada por la radiación solar. (La Fotoionización es un proceso físico en el que un fotón incide sobre un átomo, ion o molécula, dando lugar a la expulsión de uno o más electrones).

Aurora Boreal

La Tierra está constantemente inmersa en el viento solar, un flujo enrarecido de plasma caliente (gas de electrones libres e iones positivos) emitida por el Sol en todas direcciones, a consecuencia de los millones de grados de calor de la capa más externa del Sol, la Corona solar. El viento solar por lo general llega a la Tierra con una velocidad de unos 400 km/s, una densidad de alrededor de 5 iones/cc y una intensidad del campo magnético de alrededor de 2.5 nT ( nanoteslas; el campo magnético de la superficie terrestre es típicamente de unos 30,000-50,000 nT). Estos son valores típicos. Durante las tormentas magnéticas en particular, los flujos pueden ser de varias veces más rápidos; el campo magnético interplanetario (FMI) también puede ser mucho más fuerte.

Aurora Boreal.

El FMI se origina en el Sol, relacionada con el campo de las manchas solares, y sus líneas de campo (líneas de fuerza) son arrastrados por el viento solar. Eso por sí solo tiende a alinearlos en la dirección Sol-Tierra, pero la rotación del Sol los distorsiona (en la Tierra) alrededor de 45 grados, de modo que las líneas de campo que pasan la Tierra pueden comenzar cerca del borde occidental (el "limbo") del sol visible.

Cuando el viento solar se perturba, transfiere fácilmente energía y material a la magnetosfera. Los electrones y los iones en la magnetosfera que está de este modo energetizados se mueven a lo largo de las líneas del campo magnético hacia las regiones polares de la atmósfera.

Cavidad ionosfera-Tierra

La diferencia de potencial entre el ionosfera y la de la Tierra se mantiene por la acción de bombeo de las descargas de los rayos de las tormentas. En la cavidad ionosfera-Tierra, el campo eléctrico y la conducción de la corriente en la atmósfera inferior están controladas principalmente por iones. Los iones tienen parámetros característicos tales como la movilidad, el tiempo de vida, y la tasa de generación que varían con la altitud.

El Resonancia Schumann es un conjunto de picos espectrales en la parte de ELF del espectro del campo electromagnético de la Tierra. La resonancia Schumann se debe a que el espacio entre la superficie de la Tierra y la ionosfera conductora actúa como una guía de ondas. Las reducidas dimensiones de la tierra causan que esta guía de ondas actúe como una cavidad resonante para las ondas electromagnéticas. La cavidad es, naturalmente, excitada por la energía de los rayos.

Tormentas eléctricas y rayos

Si se conoce la cantidad de agua que se condensa y, posteriormente, precipita de una nube, entonces se puede calcular la energía total de una tormenta. Por término medio, en una tormenta, la energía liberada asciende a cerca de 10.000.000 kilovatios-hora (3,6 ((e | 13)) joule), lo que es equivalente a unos 20 kilotones. Una gran tormenta eléctrica podría llegar a tener de 10 a 100 veces más energía.

Cómo se forman inicialmente los rayos sigue siendo un tema de debate: Los científicos han estudiado causas que van desde las perturbaciones atmosféricas (viento, humedad y presión atmosférica) al impacto del viento solar y a la acumulación de partículas solares cargadas.

El hielo en el interior de una nube se piensa que es un elemento clave en el desarrollo de los rayos, y puede causar una separación forzosa de las cargas positivas y negativas dentro de la nube, ayudando así a la formación del rayo. Un relámpago medio transporta una corriente eléctrica negativa de 40 kiloamperios (kA) (aunque para algunos relámpagos puede ser de hasta 120 kA), y las transferencias de carga de 5 coulombio s y 500 MJ, o la energía suficiente para alimentar a una bombilla de 100 vatios durante dos meses. La tensión depende del relámpago, con una ruptura dieléctrico del aire de tres millones de voltio s por metro, esto supone aproximadamente un gigavoltio (mil millones de voltios) para un relámpago de 300 m. Con una corriente eléctrica de 100 kA, esto supone una potencia de 100 teravatios. Sin embargo, el desarrollo del rayo principal no es una simple cuestión de ruptura dieléctrica, y los campos eléctricos del ambiente requeridos para la propagación del rayo principal puede ser algunos órdenes de magnitud menor que la fuerza de ruptura dieléctrica. Además, el gradiente de potencial dentro de un canal de regreso bien desarrollado es del orden de cientos de voltios por metro o menor debido a la intensa ionización del canal, resultando en una potencia verdadera del orden de megavatios por metro para una corriente de retorno vigorosa de unos 100 kA.

Electrificación en el aire

La Electrostática consiste en la acumulación de carga en la superficie de los objetos debido al contacto con otras superficies. A pesar de que el intercambio de carga ocurre siempre que dos superficies contactan y se separan, los efectos del intercambio de carga en general sólo se nota cuando al menos una de las superficies tiene una alta resistencia a la corriente eléctrica. Esto se debe a las cargas que se transfieren hacia o desde la superficie de alta resistencia, son más o menos atrapados allí durante un tiempo suficientemente largo para que sus efectos se observen. Estas cargas permanecen entonces en el objeto hasta que sean descargadas a tierra o sean rápidamente neutralizadas por una descarga: por ejemplo, el familiar fenómeno de la 'chispa' estática es causada por la neutralización de la carga acumulada en el cuerpo en contacto con superficies no conductoras.

El "Fuego de San Telmo" es un fenómeno eléctrico en el que se crea un plasma luminoso por una descarga en corona procedente de un objeto con conexión a tierra. El rayo en bola es a menudo erróneamente identificado como fuego de San Telmo. Son fenómenos separados y distintos. Aunque se denomina "fuego", el Fuego de San Telmo es, de hecho, un plasma. El Fuego de San Telmo es otra fase de la electricidad atmosférica a ser considerada en este contexto. Es también conocido como fuego de San Elías, de Santa Clara, de San Nicolás y de Helena. El fenómeno se observa, por lo general durante una tormenta, en las copas de los árboles, torres, etc, o en las cabezas de los animales, como un cepillo o estrella de luz.

El campo eléctrico alrededor del objeto en cuestión causas la ionización de las moléculas de aire, produciendo un débil resplandor visible en condiciones de poca luz. Se requieren aproximadamente 1.000 - 30.000 kV por centímetro para inducir St. Elmo's Fire, sin embargo, este número depende mucho de la geometría del objeto en cuestión.

Las puntas tienden a exigir menores niveles de voltaje para producir el mismo resultado ya que los campos eléctricos están más concentradas en las zonas de alta curvatura, por lo que las descargas son más intensas en el extremo de los objetos con puntas. El fuego de San Telmo y las chispas normales pueden aparecer cuando un voltaje eléctrico alto afecta a un gas. El fuego de San Telmo se observa durante las tormentas eléctricas, cuando el suelo debajo de la tormenta está eléctricamente cargado, y hay un alto voltaje en el aire entre la nube y el suelo. Las lágrimas de tensión apartan las moléculas de aire y el gas comienza a brillar. El nitrógeno y el oxígeno en la atmósfera terrestre hace que el fuego de San Telmo fluorezca con luz azul o violeta; lo que es similar al mecanismo que hace brillar las luces de neón.

Fuentes

  • Orville, Dick, "Atmospheric Electricity-related terms". (American Meteorological Society, Glossary of Meteorology, Second Edition, 2000.)
  • "International Commission on Atmospheric Electricity". Commission of the International Association Of Meteorology And Atmospheric Physics.
  • Richard E. Orville (ed.), "Atmospheric and Space Electricity". ("Editor's Choice" virtual journal)
  • Krider, E. P., and R. J. Blakeslee, "The electric currents produced by thunderclouds". J. Electrostatics, 16, 369-378, 1985.
  • Karl Friedrich Peschel, Ebenezer West (Tr.), Elements of Physics, Atmospheric electricity and the electrical phenomena of life. Longman, Brown, Green, and Longmans 1846.