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Tormenta eléctrica sobre el Observatorio de Kitt Peak, Arizona. Tomada por Adam Block/NOAO/AURA/NSF en 1998, en http://www.noao.edu/image_gallery/images/d4/02656.jpg Un rayo cae en un árbol. Se puede observar el streamer saliendo del poste al lado izquierdo. No está conectado al canal principal. Crédito: U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration |
En semanas, meses anteriores hemos tenido una gran cantidad de lluvia, muchas veces con tormentas eléctricas. Jess, conductora del programa Al Aire, donde a veces participo, comentó que durante una reunión familiar en espacio abierto le tocó una fuerte tormenta eléctrica; con el susto ya no sabía dónde protegerse. No es para menos, cuando vemos primero el relámpago y unos segundos después nos llega el nada delicado sonido del trueno.
Con un poco de calma, Jess quizá hubiese recordado la creencia de que los rayos no caen dos veces en el mismo sitio, trataría de ver dónde cayó un rayo y se iría a parar allí, aunque tampoco le hubiese servido, ya que esta creencia es falsa; es sólo uno más de los mitos en torno a los rayos en las tormentas eléctricas.
Hay, desde luego, motivos para ser precavidos. Los rayos causan muertes y lesiones en seres humanos, así como en ganado y otros animales; son el origen de miles de incendios forestales. Se gastan millones de dólares para reparar daños producidos por un rayo en edificios, sistemas de comunicación, líneas eléctricas y sistemas eléctricos.
El hombre ha aprendido a generar energía eléctrica de diferentes maneras; sin embargo, en la naturaleza apenas existe; hay unos pocos fenómenos donde se puede apreciar, tales como las tormentas eléctricas. Fue Benjamín Franklin, en 1752, con su famoso experimento del cometa, quien demostró que este fenómeno natural se relacionaba con la electricidad.
La forma en que se cargan las nubes es hasta la fecha incierta. Hay muchos avances y teorías y programas espaciales dedicados a estudiar la generación de tormentas eléctricas. Se sabe que hay en el planeta zonas “preferidas” por los rayos, pero aún no se sabe la causa.
Los rayos son descargas múltiples a lo largo del mismo camino, pero ¿cómo suceden? Se sabe que gracias a las corrientes ascendentes y descendentes, efectos de congelación y choques entre las partículas, las nubes de una tormenta se cargan positivamente en la parte superior y con carga negativa en la parte inferior; esta zona es la más cercana a la superficie terrestre, que tiene, al contrario, carga positiva. La naturaleza va a tratar de neutralizar esta separación de carga, y debido a la diferencia de cargas hace que los electrones sean acelerados hacia la tierra generando la descarga.
Esta descripción es simplificada; primero porque la distribución de carga en las nubes es más complicada; por ejemplo, hay descargas en las mismas nubes, disipando la mayor parte de la energía de la tormenta; sin embargo, el rayo puede ser peligroso cuando alcanza la tierra; este descenso es también complejo.
Cuando la carga negativa de la nube es suficientemente grande, busca una trayectoria “fácil” para llegar a la carga positiva del terreno. Inicia entonces el proceso con algo llamado “descarga precursora escalonada” (stepped leader), que no es tan brillante como el rayo, y por lo tanto fue difícil de observar hasta que se utilizó la fotografía. Esta descarga precursora viaja a 1/6 de la velocidad de la luz. Se mueve 50 m y se para unos 50 microsegundos y luego da otro paso (de aquí el nombre de escalonada), y así sucesivamente.
Mientras tanto, la carga positiva en la superficie de la tierra se incrementa también, y los objetos, incluyendo las personas, responden localmente a este campo eléctrico, siendo más intenso en las partes sobresalientes de la superficie (edificios, árboles, antenas) por el “efecto de punta”, generando desde allí una descarga ascendente (streamer) positiva, también débil inicialmente.
La descarga precursora tiene cargas negativas de la nube, y cuando se encuentra con el streamer se forma un canal conductor, desde la nube hasta el suelo; por aquí la carga simplemente se escapa, se agota y ocurre el rayo. El movimiento es rápido y energético; el rayo corriendo hacia arriba. Este es conocido como rayo principal o de retorno, y es el que produce la luz brillante y el calor que, originando una expansión rápida del aire, genera el trueno.
Aunque el rayo parece continuo, se trata realmente de una serie de estallidos cortos. Si han tenido la oportunidad de observar alguna tormenta, habrán notado que el relámpago en ocasiones parece destellar varias veces de manera muy rápida. Esto sucede ya que a veces la carga no se disipa en un sólo evento; la corriente se descarga a través del mismo canal golpeando varias veces el mismo sitio en una sucesión tan rápida que la caída de la mayoría de los rayos ocurre en menos de medio segundo.
Sin embargo, si un objeto recibe la descarga una vez, no lo hace inmune a ser golpeado de nuevo por otro rayo. Durante la tormenta el objeto tiene la misma probabilidad que los demás de que le caiga el siguiente rayo.
El aire alrededor del rayo es calentado a temperaturas muy altas, a más de 20 mil grados, varias veces la temperatura de la superficie del Sol. Este calentamiento repentino causa que el aire se expanda más rápido que la velocidad del sonido y formando la onda de choque que escuchamos como el trueno. Generalmente escuchamos que retumba; esto se debe a los estallidos múltiples que generan diferentes ondas de choque en diferentes tiempos y zonas.
Otros mitos
Los objetos más altos en la superficie de la tierra no siempre son los alcanzados por un rayo en una tormenta. Es cierto que los objetos más altos están más cerca de las nubes; sin embargo, la descarga puede caer en una casa de 8 m de altura en lugar del árbol o antena de 50 m que se encuentra al lado, o bien caer en el suelo y no en el edificio cercano. Los objetos más altos pueden tener una mayor posibilidad de ser golpeados, pero por lo que concierne al rayo, el camino no es predecible.
Los supresores de picos de voltaje no resguardan los equipos electrónicos (TV, DVD, PC) si cae un rayo en la red eléctrica. Los supresores ofrecen protección para cambios bruscos en la alimentación eléctrica. Para protegerlos se requiere un sistema de puesta a tierra.
Los neumáticos del auto no son los que nos protegen de los rayos cuando vamos en un automóvil durante una tormenta eléctrica. Al contrario, en campos eléctricos fuertes, los neumáticos de caucho se vuelven más conductivos que aislantes. Se está a salvo en un coche porque si cae un rayo viajará alrededor de la superficie del vehículo y luego irá a tierra. El vehículo actúa como una jaula de Faraday, una jaula de metal que blinda a los objetos dentro cuando una descarga de alto potencial golpea la jaula. El metal, que es un buen conductor, dirige la corriente alrededor de los objetos y la descarga de forma segura al suelo. Este proceso de blindaje es ampliamente utilizado hoy en día para proteger los circuitos electrónicos.
Más información
Lecturas de Física de Feynman
Richard P. Feynman, Robert B. Leighton y Matthew Sands. AddisonWesley Iberoamericana
http://www.livescience.com/3803sciencelightning.html
http://science.howstuffworks.com/nature/naturaldisasters/lightning.htm
http://thunder.msfc.nasa.gov/primer/index.html
http://science.nasa.gov/sciencenews/scienceatnasa/2001/ast05dec_1/
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