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