Rayos en Manizales

El pasado 30 de marzo un torrencial aguacero acompañado de tormentas eléctricas sacudió a la ciudad de Manizales en horas de la madrugada. Los rayos causaron conmoción en la ciudad, pues algunos lo asociaron con la actividad del volcán Nevado del Ruiz, aunque según el IDEAM, estos son resultado de la temporada de lluvias únicamente [1] . De la tormenta eléctrica se lograron captar algunas imágenes que se difundieron en las redes sociales [2] y en el periódico local. Trataremos de analizar desde el punto de vista científico de los rayos algunas de estas espectaculares imágenes registradas en muy tempranas horas de la mañana por algún curioso y muy útil fotógrafo.

En la primera imagen se puede observar una poderosa descarga en la fase conocida como descarga de retorno. Esta es la fase más luminosa de la descarga eléctrica, ya que se drena la mayor cantidad de carga eléctrica hacia tierra. El canal de la descarga se encuentra totalmente ionizado (es un canal plasmático), para permitir el paso de una gran cantidad de corriente

En la siguiente se pueden ver rayos intranubes que se elevan sobre la ciudad y se mezclan con las nubes presentes.

Los rayos intranube aparecen de nuevo en la próxima imagen. Se pueden ver las ramificaciones en los extremos de la descarga, en la búsqueda de conexión eléctrica con un centro de carga de una nube cercana.

Una impactante imagen se puede ver a continuación, en la que se pueden distinguir dos rayos que caen sobre la ciudad. El primero (a la izquierda), corresponde a un canal que ha perdido su ionización en la primera mitad, debido al proceso de descarga de retorno ascendente y el segundo es un líder escalonado que en su camino a tierra ha logrado encender líderes o rayos ascendentes desde los pararrayos de los edificios más altos del centro de la ciudad.

No es de extrañar que el fuerte trueno que se escuchó en la ciudad, y que logró despertar hasta a los de sueño más pesado, como yo, se debió a la cercanía por ejemplo del impacto que cayó en el centro de la ciudad. Se debe recordar que la menor distancia en tiempo entre relámpago y trueno indica una mayor cercanía nuestra al punto de impacto del rayo - cada segundo de distancia indica 340 m de lejanía de la descarga-, cómo probablemente ocurrió en este caso. El periódico local indica que en la madrugada del 31 de marzo se presentó un incendio en el barrio Bajo Andes, debido posiblemente a un impacto de rayo en este sector [2].

Se deduce la necesidad actual de implementar adecuados sistemas de protección contra rayos que permitan salvaguardar la vida y la integridad de las personas de eventos de gran magnitud como los rayos que inesperadamente pueden aparecer en ciudades como la nuestra, o en cualquier otra del país o del mundo.

Referencias

[1] http://www.lapatria.com/manizales/temporada-de-lluvias-trae-tormentas-electricas-indicaron-expertos-2109

[2] http://www.facebook.com/media/set/?set=a.10150649054616564.390242.113234511563&type=3

[3] http://www.lapatria.com/sucesos/9-damnificados-por-incendio-en-bajo-andes-esperan-auxilios-de-arrendamiento-2102

LAS LESIONES POR RAYO EN LOS SERES HUMANOS

Estadísticas:

De acuerdo a los datos entregados por la Magazine Storm Data, en Estados Unidos son aproximadamente 85 el número de personas que en promedio murieron a causa de los rayos, entre los años 1966 y 1995. La gráfica siguiente muestra el lugar en que ocurrieron las lesiones y las muertes. Cerca del 30% de todas las muertes por rayo involucran individuos que estaban al aire libre y cerca del 25% corresponden a recreacionistas que se encontraban en campos abiertos.

Figura. 1. Lugar de ocurrencia de las lesiones y muertes por rayo. (Storm Data 1959-1966). Adaptado de [1]

De acuerdo a Storm Data, cerca de 300 personas son lesionadas a causa de los rayos en los Estados Unidos anualmente.

Desde aproximadamente 1930 se ha presentando una disminución del porcentaje de personas lesionadas por rayos en los Estados Unidos, esto debido a algunos factores, como: la disminución de las personas viviendo en áreas rurales, que eran quienes trabajaban a menudo al aire libre y el uso de tuberías y cables metálicos han ayudado a proteger contra rayos las estructuras. Finalmente, ya que las comunicaciones y los servicios de emergencia han sido más sofisticados, la asistencia médica llega más rápido, además han existido avances en técnicas de resucitación y una mayor conocimiento público de estas técnicas.

Además de los Estados Unidos, existen registros de muertes por rayo en otros países, como en el Reino Unido (Inglaterra, Gales, Escocia e Irlanda del Norte), en el cual el número de muertes por millón de personas es de 0.05, 8 veces menor que en los Estados Unidos. Una proporción razonable teniendo en cuenta que en el Reino Unido caen menos rayos. Al igual que en los Estados Unidos las muertes por rayo en el Reino Unido han sufrido una disminución, por razones similares a las mencionadas. Por ejemplo en Inglaterra y Gales las muertes anuales por rayo fueron 19 entre 1852 y 1899, 13 para el periodo 1900 a 1949, y 5 entre 1950 y 1999.

A nivel mundial el número de personas lesionadas por rayo es probablemente de cinco a diez veces el número total de muertes, tomando una proporción similar a las de los Estados Unidos.

Cómo puede matar un rayo

Existen diferentes formas en que los humanos pueden morir o ser lesionados por un rayo:

1. Por la corriente de un impacto directo
2. Por la corriente de un líder ascendente no conectado (aquellos "rayos" que salen de los objetos puntiagudos en tierra que salen al encuentro del rayo que baja) cuando existe un impacto de rayo cercano.
3. Por un "rayo lateral" o un arco superficial en la tierra en contacto con un objeto directamente impactado. Un rayo lateral se define como aquel que se desprende de objetos que se encuentran a un potencial elevado por efecto del rayo, que puede saltar entre estos objetos y una persona o cuerpo en contacto con tierra (Mirar Fig. 2). Un arco superficial en la tierra se da cuando la corriente de rayo logra ionizar la superficie del terreno.
   Figura 2. Rayo Lateral (Side Flash). Tomado de [1]
   
   
4. Por una tensión (voltaje) de paso producida por la circulación de la corriente de rayo en la tierra. La tensión de paso definida como la que se presenta entre los dos pies de una persona se ilustra en la figura 3
   Figura 3. Tensión de paso y de contacto respectivamente
5. Por la tensión (voltaje) de toque que se produce cuando se está en contacto con un objeto metálico tal como un cable que se ha elevado en tensión debido a un impacto directo o rayo cercano. (Ver Figura 3)
6. Por las esquirlas que se producen en una edificación que ha sido impactada por un rayo, o por caerse de un caballo que ha sido electrocutado por un rayo.
7. Por las quemaduras o la inhalación de humo que se producen en incendios ocasionados por rayos
8. Por las explosiones por rayo que ocurren, por ejemplo, en fábricas o minas de carbón bajo tierra.

Cómo puede matar un rayo:

En la literatura médica se ha reconocido que la principal causa de muerte de una víctima de rayo es un paro cardio-respiratorio. Cerca del 75% de los que sufren paro cardiorespiratorio mueren, en muchos casos por falta de reanimación cardio-pulmonar. La segunda causa de muerte por rayo se debe al daño del sistema nervioso central. Cuando la corriente atraviesa el cerebro, se produce coagulación de la sustancia cerebral, formación de hematomas epidural y subdural, hemorragia intraventicular, y parálisis del centro respiratorio. Es de consideración cuando la corriente fluye en el centro de control respiratorio, ya que se puede inducir al paro respiratorio.

Es un mito aquello de que una persona impactada directamente por un rayo resulta quemada de gravedad por dentro y por fuera del cuerpo. La relativa corta duración de la corriente de rayo - una fracción de segundo - protege a las personas de graves quemaduras.

Existen diferentes tipos de quemaduras, entre las que se distinguen las de gran espesor (Figura 4), con punta, lineales, de plumas o flores y las debidas a ropa quemada, y joyería metálica, cremalleras y hebillas de cinturón derretidas.

Figura 4. Quemadura de gran espesor

Muchos tipos de rayos causan daños en los ojos, lo cual obedece a varias razones:(1) efectos térmicos y eléctricos directos, (2) luz ultravioleta intensa, (3) alta presión acústica de la onda de choque (onda asociada al trueno que viaja más rápido que el sonido). Se ha estimado que las lesiones en los ojos ocurren en al menos la mitad de los impactados por rayo. Una de las manifestaciones de las lesiones en los ojos, por ejemplo es el desarrollo de cataratas, que puede tardar tiempo en aparecer.

Por su parte, la sordera temporal es común en las víctimas de rayo, la cual es debida al trueno cuando se está cerca del rayo. Casi la mitad de las personas que son impactadas por rayo sufren el rompimiento de uno de sus tímpanos. Afectaciones directas de los nervios, pueden causar parálisis faciales.

Los efectos sicológicos son de gran consideración, aun más que los físicos, porque se presentan en el largo plazo, y son el resultado de la afectaciones del sistema nervioso, que en muchos casos son difíciles de identificar, y se pueden manifestar en: ansiedad, fatiga, dolores de cabeza severos, dolores crónicos, decremento de la líbido e impotencia, cambios de personalidad y depresión.

En el caso de las tensiones de paso (figura 3), estas no son en la mayoría de los casos letales para los seres humanos porque las corrientes no atraviesan zonas críticas del cuerpo. Sin embargo, en el caso de los animales de cuatro patas, como caballos o vacas, es frecuente la muerte de estos cuando se refugian bajo los árboles cuando hay lluvia, ya que la corriente atraviesa sus corazones y partes críticas de su sistema nervioso central debido a tensiones de paso que se dan entre sus patas delanteras y traseras.

Bibliografía:

Artículo extraido de:

[1] Martin A. Uman. The art and Science of Lightning Protection. Cambridge University Press. 2008

EL FENÓMENO DEL RAYO

1. Qué es un rayo

El rayo es una "chispa" de gran tamaño (más de 1 kilómetro), que se forma en nubes de tormenta cargadas eléctricamente cuando se rompe la rigidez dieléctrica local de la atmósfera, definida como la capacidad de la atmósfera para tener una separación de cargas eléctricas. En el momento del rayo el campo eléctrico es del orden de 1 millón de voltios por metro, en menos de un segundo se transporta una carga equivalente a 1020 electrones y se proporciona una potencia eléctrica equivalente a 100 millones de bombillas de alumbrado público residencial.

2. Historia

Aunque otros habían teorizado sobre el carácter eléctrico del rayo, el primero en diseñar un experimento para comprobarlo fue Benjamín Franklin. Para esto elevó una cometa que al introducirse en las nubes adquiriera la carga de estas. Algunas chispas saltaron de una llave conectada al final de la cuerda de la cometa a sus nudillos comprobando así su teoría (ver figura 1). En este experimento otros investigadores no contaron con la misma suerte y murieron al ser impactados directamente por rayos. Benjamin Franklin, fue además el creador del pararrayos que ayudó a proteger las edificaciones, especialmente en sitios como las catedrales en las cuales murieron diversas personas en los campanarios.

Figura 1. El famoso experimento de la cometa de Benjamin Franklin. Adaptado de [1]

3. Cómo se producen los rayos

El rayo no es nada diferente a las chispas que se generan entre la chapa de una puerta metálica y los dedos de la mano de alguien que ha caminado sobre una alfombra, o las que se producen entre la puerta del carro y los dedos de alguien que se ha deslizado sobre la silla de un carro en un día de invierno. En el proceso de carga eléctrica al arrastrar los zapatos en una alfombra o al frotar los pantalones en una silla, el cuerpo puede adquirir una tensión de más o menos 10.000 V (10 kV), para la que a una distancia de aire de la tercera parte de un centímetro se puede producir una chispa entre los dedos y cualquier otro objeto no cargado. (El campo eléctrico necesario para que haya una chispa de aire es de 30 kV/cm). En el caso anterior el frotamiento de dos materiales diferentes: el caucho (zapatos) y nylon (la alfombra), hace que los electrones fluyan del nylon al caucho, dejando cargado negativamente el caucho (con un exceso de electrones). Un proceso similar se experimenta en las nubes de tormenta para producir un rayo, en este caso debido a las colisiones entre (1) partículas de granizo que son suficientemente pesadas para caer en las corrientes ascendientes de una tormenta y (2) pequeños cristales de hielo que son suficientemente livianos para ser arrastrados hacia arriba por las corrientes ascendentes. Los segundos adquieren carga positiva, y se ubican a una altura aproximada de 10 km mientras que las partículas de granizo se cargan negativamente ubicandose en la parte inferior a una altitud de 6 a 8 km. De esta manera la estructura de carga de la nube queda con una porción superior de carga positiva y una inferior más o menos igual de carga negativa. En una nube típica se encuentra además una pequeña porción de carga positiva por debajo de la carga negativa principal, donde la temperatura está cerca del punto de congelamiento (0 °C). Mirar figura 2.

Figura 2. Adaptado de la enciclopedia británica online

4. Tipos de rayos

Los rayos se pueden dividir en dos categorías, de acuerdo a si su desplazamiento es entre la nube y la tierra (nube-tierra) y si no lo es (rayo de nube), el cual es el tipo más común de rayo. En esta última, los rayos que ocurren totalmente dentro de una nube se conocen como intra-nubes (el más común de los rayos en nubes y el más común de todas las formas de rayos), los que se dan entre nubes diferentes, se conoce como rayos internubes y aquellos que ocurren entre una nube y el aire circundante son llamados rayos nube-aire.

De los rayos nube-tierra se definen cuatro categorías, de acuerdo a si el rayo parte de un centro de carga negativo será un rayo negativo o positivo en el caso contrario, o si el rayo es ascendente o descendente. Ver figura 3

Fig 3a. Rayo Negativo Descendente. Fig 3b. Rayo Positivo ascendente

Fig 3c. Rayo Positivo Descendente Fig 3d. Rayo Negativo Ascendente

Alrededor del 90% de los rayos nube tierra son iniciados en un centro de carga negativo y un líder descendente (Fig. 3a), estos al bajar transportan carga negativa. El 10% restante corresponde a los rayos nube tierra positivos descendentes (Fig. 3c) que transportan carga positiva de alguno de los centros de carga (superior o inferior). Los otros dos tipos de rayos son ascendentes (rayos tierra-nube, ver figura 3), son los tipos de rayos menos comunes y se inician arriba de sitios elevados como cimas de montañas, torres, etc. La figura 4 muestra un ejemplo de un rayo ascendente, en este se puede notar que las ramificaciones son hacia arriba en la dirección de propagación del rayo.

Figura 4. Rayo Ascedente. Fuente: http://www.spaceweather.com

5. Proceso de la descarga

A pesar de las diferencias que existen tanto teóricas como experimentales en la comunidad científica, la mayoría coincide en que son cinco las etapas de una descarga eléctrica atmosférica:

1. Encendido de la descarga

2. Líder Escalonado

3. Proceso de Enlace

4. Descarga de Retorno

5. Líder Dardo

A continuación se describen cada una de estas:

Encendido de la descarga: Comienza con la interacción de los centros de cargas en la nube, que termina en una neutralización de cargas y la formación de una columna de carga conocida como el líder escalonado.

Líder Escalonado: Se inicia por el encendido de la descarga dentro de la nube, se ve como pasos discretos luminosos que avanzan hacia la tierra, recorriendo distancias aproximadas de 50 m por paso con una duración promedio de 1 µs o menos por paso. Existen pausas entre cada paso del orden de los 50 µs. El líder baja hasta 10 o más culombios de carga hacia tierra en milisegundos con una velocidad promedio de bajada es de 200 km/s. La corriente promedio del líder es del orden de 100 a 1000 amperios.

Proceso de Enlace: Cuando el líder escalonado se encuentra cerca de la tierra, la inducción de cargas eléctricas en objetos puntiagudos (pararrayos, aristas de edificios, antenas) hace que el campo eléctrico en éstos sea lo suficientemente alto como para superar la rigidez dieléctrica del aire (aproximadamente 30 kV/cm), y producir una ionización del aire que se evidencia como una especie de rayos que salen de los objetos, conocidos como líderes ascendentes que van al encuentro del líder escalonado descendente. El momento de conexión se conoce como el Proceso de Enlace. La distancia existente entre la punta del líder escalonado y un objeto que acaba de ser ionizado, se conoce como distancia de incidencia, y esta permite conocer el radio de acción de un pararrayos.

Descarga de Retorno: Después de producirse el proceso de enlace, el líder se encuentra al mismo potencial de tierra, lo que hace que el canal de la descarga se encuentre completamente ionizado, allí es cuando se produce la primera descarga de retorno que es una onda de campo eléctrico que asciende por el canal del líder escalonado hasta penetrar la base de la nube en lamayoría de los casos y que “baja” de la nube de 2 a 10 culombios de carga con corrientes de hasta 100 kA, siendo esta la parte más energética del rayo que produce mayor iluminación del canal. La primera descarga de retorno produce una corriente cerca de tierra cercana a los 30 kA dependiendo de la latitud donde impacte el rayo, con tiempo a pico de unos pocos microsegundos y alcanzando la mitad del valor pico en unos 50 µs.

Líder Dardo: Cuando existe carga adicional acumulada en la nube, se presenta un nuevo líder de propagación continua (opuesto al líder escalonado) conocido como el líder dardo que aprovecha en su mayoría el canal ionizado preexistente y deposita un poco menos de carga que el líder escalonado. Puede ocurrir que parte del canal no se encuentre ionizado (la parte baja), por lo que en su camino a tierra el líder busque un camino distinto y se comporte como uno escalonado, recibiendo el nombre de Líder Dardo escalonado. El nuevo líder prepara el camino para descargas de retorno subsecuentes conocidas como strokes. Un rayo puede tener varios strokes, lo cual define la multiplicidad (el número de descargas por rayo -strokes/flash-), en general los strokes son de menor amplitud que la primera descarga de retorno, siendo su corriente del orden de los 10 a los 15 kA.

Corrientes Continuas: Son corrientes que pueden circular por tiempos prolongados, cerca de 40ms, mientras el canal se encuentra ionizado y son posteriores a las descargas subsecuentes. Pueden contribuir al deterioro de distintos dispositivos, dado su alta energía asociada al prolongado tiempo en que fluyen.

El trueno: La transformación de la energía del rayo en energía audible se conoce como trueno. Debido a la rápida acumulación de energía depositada en el canal por la descarga de retorno, el canal se calienta, sin tener tiempo para expandirse, lo que hace que se produzca un aumento de presión que se propaga alrededor del aire circundante como una onda de choque (con velocidad mayor a la del sonido) en los primeros metros y como una onda de sonido ordinaria en los siguientes. Así, dado que la iluminación del canal de la descarga de retorno viaja a la velocidad del la luz (300.000 km/s), el ojo humano ve la luz simultáneamente con la formación del canal, sin embargo el trueno se escucha segundos después debido a que viaja a la velocidad del sonido (340 m/s). Por tanto es posible encontrar la distancia a la impactó un rayo multiplicando el tiempo transcurrido en segundos entre la vista del relámpago y al escuchar el trueno, por 340 (la velocidad del sonido).

Figura 5. Animación Proceso de la descargaFuente: www.lightningtech.com/f_sets/facilities.html

Bibliografía

[1] Martin A. Uman. The Lightning Discharge. 2001

[2] Horacio Torres.

El rayo: mitos, leyendas, ciencia y tecnología.

UNIBIBLOS. 2002

[3] Martin A. Uman. The art and Science of Lightning Protection. Cambridge University Press. 2008

[4] Vernon Cooray. The Lightning Flash. The Institution of Electrical Engineers. Londres. 2003

COMO PROTEGERSE CONTRA LOS RAYOS

Aquí van algunas recomendaciones de como proteger la vida humana contra los rayos.

Primero se deber recordar que no existe ningún sitio absolutamente seguro contra los rayos, pero algunos son menos peligrosos que otros:

- Las grandes estructuras encerradas tienden a ser más seguras que las estructuras abiertas. El riesgo de daño por rayo dependerá si la estructura presenta protección contra rayos, el tipo de material y el tamaño.

- Los vehículos metálicos totalmente cubiertos, tales como buses, camiones, furgonetas, etc., con las ventanas cerradas, son una buena protección contra rayos. Se debe evitar el contacto con las superficies metálicas conductoras fuera y dentro del vehículo.

- Algunos lugares como tiendas de campaña (carpas), vehículos descubiertos o no metálicos y las edificaciones alejadas de otras viviendas, ofrecen poca o ninguna protección contra los rayos.

- Evite estar cerca de lugares altos, con puntas sobresalientes como catedrales ó árboles aislados. También evite la cercanía con torres de comunicación, postes de luz, carros del golf, cables aéreos, vías de ferrocarril, cercas ganaderas y agua (océanos, lagos, piscinas, ríos, etc.)

- Aléjese de terrenos deportivos o espacios abiertos.

- Si está dentro de una edificación, evite usar el teléfono, tomar una ducha, lavar sus manos, o tener contacto con cualquier superficie conductora conectada con el exterior, tales como puertas o ventanas, cableado eléctrico, telefónico o de televisión por cable, tuberías, etc.

- Si está en un sitio aislado o lejos de algún refugio, no se acueste sobre el suelo, junte sus pies, no coloque las manos en el suelo y adopte la posición de cuclillas.

Bibliografía

Martin A. Uman. The art and Science of Lightning Protection. Cambridge University Press. 2008

http://www.oei.org.co/sii/entrega21/art01.htm (5 de Julio de 2010)