Rayo
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Rayo . Es una poderosa descarga natural de electricidad estática, producida durante una tormenta eléctrica, que genera un pulso electromagnético. Generalmente, 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.
Sumario
Formación
Cómo se inicia la descarga eléctrica sigue siendo un tema de debate. 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. Se cree que el hielo es el componente clave en el desarrollo, propiciando una separación de las cargas positivas y negativas dentro de la nube. 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.
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:
- 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.
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. 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.
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. 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. 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.
Tipos
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 cumulonimbos y la tierra. Comienza con un trazo inicial que se mueve desde la nube hacia abajo.
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.
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.
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 cumulonimbos, 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 cumulonimbos. 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. 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. Estas 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.
Bibliografías
- Feynman, Leighton, Sands, “Física” Vol. II, Addison- Wesley- Longman
- Sears, Zemansky, Young, Freedman, “Física Universitaria” Vol. II, Addison Wesley- Longman, novena edición.
- Garófalo J, Balerdi C. Tormentas eléctricas y relámpagos. Universidad de Florida; 2007.
- Barry, R. and R. Chorley. “Atmósfera, tiempo y clima”, 7 ed., Omega, Barcelona, España, pp.441, 1999.
- Hebbs, J. “Climate Hazards”. Encyclopedia of World Climatology. Edited by John E. Oliver. Springer, London. pp.233-243, 2005.
- Pielke Jr, Roger, (1999), Storms Volume II, Londres: Routledge Hazards and Disasters Series. pp. 43-80.
Fuentes
- Meteorología en Red
- Centro para el Control y la Prevención de Enfermedades – Estados Unidos
- SEAS – Estudios Superiores Abiertos Online
- Coordinación General de Tecnologías de Información de la Universidad de Colima – México
- Definición.de
- Sistema de protección contra el rayo – Aplicaciones Tecnológicas
