Cómo se forman los rayos: lo que dice la ciencia

Cómo se forman los rayos: lo que dice la ciencia

Los rayos son descargas electrostáticas atmosféricas provocadas por la acumulación de carga eléctrica en las nubes. Estas descargas se producen al producirse la ruptura dieléctrica del aire cuando se supera un determinado valor del campo eléctrico. En consecuencia, se genera un canal ionizado en estado de plasma que facilita la transferencia de carga entre dos puntos. El conocimiento científico de cómo se forman los rayos debe servir para optimizar los sistemas de protección contra el rayo.

En el estudio de los rayos y fenómenos afines intervienen distintas ramas de la física, desde la física atmosférica hasta la física de plasmas y la electrodinámica cuántica. Hasta la fecha, no se conoce del todo el mecanismo exacto por el que se generan los rayos en las nubes, ni tampoco el mecanismo por el que un rayo impacta en un punto determinado. Sin embargo, a pesar de las dificultades que entraña el estudio de estas descargas atmosféricas, cada vez se dispone de más información a partir de observaciones y mediciones. [1].

A continuación se presenta un resumen de lo que dice la ciencia sobre cómo se forman los rayos, centrándose en particular en los rayos nube-tierra debido a su relevancia para la protección contra tormentas eléctricas.

Formación de rayos en nubes de tormenta

Las nubes de tormenta suelen ser del tipo cumulonimbo y se forman cuando se dan las condiciones adecuadas para que la nube crezca verticalmente. Las nubes cumulonimbos son gigantescas máquinas térmicas que convierten la energía solar en energía mecánica de las corrientes de aire y en energía eléctrica de los rayos. [2], [3].

Cuando se forman las nubes de tormenta, se rompe el equilibrio de cargas positivas y negativas en la atmósfera, ya que se produce la polarización de las cargas eléctricas. Así, la parte inferior de las nubes se carga negativamente, induciendo una carga positiva en el suelo y en los elementos situados por encima. Así, se genera un campo eléctrico de hasta decenas de kilovoltios.

La nube adquiere carga eléctrica a través de varios mecanismos de electrización. Se cree que el principal implica colisiones entre partículas milimétricas de granizo blando o graupel y pequeños cristales de hielo en presencia de gotas de agua sobreenfriada. El agua sobreenfriada se caracteriza por no congelarse a pesar de tener una temperatura inferior a 0 °C [1]-[4].

Sin embargo, aún no se dispone de todos los detalles de los procesos microfísicos de descarga que generan los trazadores ni de los procesos que producen los campos eléctricos necesarios para generar los rayos. Así pues, aún no se ha resuelto el mecanismo (o mecanismos) físico por el que se inician las descargas atmosféricas dentro de las nubes de tormenta. Esto se debe a que, tras décadas de medición del campo eléctrico dentro de las nubes, no se ha detectado un campo eléctrico suficiente para desencadenar descargas, al menos según el consenso científico actual [1].

Conexión de los trazadores descendentes y ascendentes que forman el rayo nube-tierra

Cuando se supera el campo eléctrico de ionización del aire, éste puede pasar de ser un aislante casi perfecto a un medio conductor a través del cual la carga de la nube busca el camino más directo hacia el suelo. Se genera entonces un trazador o líder descendente que abandona la nube transportando parte de su carga. También se conoce como "líder escalonado" porque avanza en pasos discretos. En la trayectoria del rayo de nube a tierra, el trazador descendente puede dividirse en varias ramas [2] y propagarse en cualquier dirección. [2] y propagarse en cualquier dirección, pero siempre en saltos que dependen de la corriente asociada a esa descarga.

Una vez que el rayo está lo suficientemente cerca del suelo, el campo eléctrico se eleva hasta el nivel del suelo y uno o más puntos de elementos conectados a tierra comienzan a descargar descargas corona [2]. [2]. Se trata de descargas eléctricas producidas por la ionización del gas que rodea a un conductor cargado. A partir de ellas, se generan líderes ascendentes o trazadores. El primer líder ascendente que alcance al líder descendente creará una trayectoria de descarga nube-tierra. En el salto final del trazador descendente, la dirección ya no es aleatoria, sino que viene determinada por el trazador ascendente que esté a su alcance.

Cuando es interceptada por un objeto, la corriente busca el camino más rápido a tierra generando un pulso de corriente de muy alta energía con una amplitud de decenas o cientos de miles de amperios (carrera de retorno). [2]. Si la nube se carga aún más después de la carrera de retorno, pueden aparecer nuevos arcos conocidos como carreras subsiguientes.

El reciente estudio observacional de Saba et al. [5] utilizó una cámara de vídeo de alta velocidad para analizar la dinámica de los líderes de un haz nube-tierra. . El vídeo de esta publicación de libre acceso está disponible en línea.

El impacto evaluado se registró el 30 de marzo de 2021 y, a partir de las imágenes de vídeo obtenidas, se encontraron 31 líderes ascendentes de los edificios circundantes en la dirección de los líderes descendentes. Las líneas ascendentes se caracterizaban por una propagación recta y sin ramificaciones, mientras que las líneas descendentes se caracterizaban por ramificaciones. El líder ascendente que conectaba con el líder descendente era tres veces más rápido que el resto de los 31 líderes detectados.

En una publicación posterior, también observacional, Saba et al. [6] analizaron un impacto anterior (del 1 de febrero de 2017), interceptado por un pararrayos de un edificio residencial. En este estudio, se realizaron mediciones de campo eléctrico, corriente y velocidad de los líderes ascendentes mediante cámaras de vídeo de alta velocidad, un sensor de campo eléctrico y sensores de corriente instalados en los pararrayos.

Los autores observaron que los líderes ascendentes respondían a las distintas ramificaciones del líder descendente, alternando su propagación e intensidad. Este patrón intermitente cesó justo antes de la conexión de los líderes, cuando todos los trazadores descendentes se intensificaron y, en consecuencia, los líderes ascendentes se sincronizaron en sus impulsos de corriente. [6].

Además, las líneas ascendentes inducidas por los trazadores descendentes se propagaban a una velocidad más o menos constante. El líder ascendente que conectaba con el descendente era el más rápido de todos los generados, seguido del líder ascendente más cercano al último salto o salto final. Por otra parte, la línea ascendente que conectaba con la descendente experimentó un aumento de velocidad justo antes de que se produjera el salto final, que se estimó al menos 45 veces superior a la velocidad media de la línea ascendente. Del mismo modo, la corriente continua más alta se midió en el líder ascendente que se conectaba al trazador descendente [6].

Protección inteligente contra el rayo basada en la ciencia

El conocimiento científico del fenómeno del rayo es crucial para la optimización de los sistemas de protección contra rayos. Los dispositivos de emisión temprana de los trazadores de líneas (ESE Air Terminals) se basan en la emisión continua del trazador ascendente antes que cualquier otro objeto dentro de su radio de protección. En lugar de ser un proceso aleatorio como en el caso de la protección convencional, los ESE se caracterizan por controlar la emisión del trazador ajustándola en el momento adecuado y permitiendo así una mayor área de cobertura.

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Referencias

[1] J. R. Dwyer y M. A. Uman, "La física del rayo", Phys. Rep., vol. 534, no. 4, pp. 147-241, 2014.

[2] V. Cooray, An Introduction to Lightning (Introducción a los rayos). Springer Netherlands, 2015.

[3] C. Gomes, Ed., Lightning, vol. 780. Springer Singapore, 2021.

[4] M. A. Cooper y R. L. Holle, Reducing Lightning Injuries Worldwide. 2019.

[5] M. M. F. Saba, D. R. R. da Silva, J. G. Pantuso, y C. L. da Silva, 'Close view of the lightning attachment process unveils the streamer zone fine structure', Geophys. Res. Lett., vol. 49, no. 24, Dic. 2022.

[6] M. M. F. Saba, P. B. Lauria, C. Schumann, J. C. de O. Silva y F. de L. Mantovani, 'Upward leaders initiated from instrumented lightning rods during the approach of a downward leader in a cloud-to-ground flash', J. Geophys. Res., vol. 128, no. 8, Apr. 2023.