La atmósfera terrestre está formada por nitrógeno y oxígeno, dos gases aislantes de la electricidad. Sin embargo, la acción de la radiación solar ultravioleta y de los rayos cósmicos, que ionizan las moléculas y los átomos del aire, la convierten en conductora.
La superficie terrestre contiene, disueltos en el agua que cubre las tres cuartas partes de la tierra, una gran cantidad de iones negativos. De esta forma, el conjunto de la atmósfera está encerrado por su parte externa por una capa ionizada con iones positivos y en su base, en la superficie terrestre, por otra zona cargada de iones negativos, quedando en medio un volumen de gases aislantes de 80 Km de espesor. Entre las dos zonas cargadas se crea un campo eléctrico, de la misma forma que se crea en un condensador.
En situaciones de estabilidad atmosférica el valor del campo eléctrico de la atmósfera es de unos 100 V/m, pero en el interior de las nubes tormentosas puede llegar hasta 100.000 V/m.
En la portada de Wikipedia hemos encontrado esta bonita imagen de un rayo cayendo cerca del Hotel Hesperia, en Bellvitge (Hospitalet de Llobregat - Barcelona). La imagen se tomó el 7 de septiembre de 2005.
En condiciones de estabilidad los iones positivos se desplazan desde la alta atmósfera hacia la superficie terrestre, cargada negativamente. En momentos de tormenta esta circulación se invierte, haciendo retornar los iones positivos hasta la ionosfera. La contaminación atmosférica favorece la formación de aerosoles cargados eléctricamente, haciendo aumentar el valor del campo eléctrico terrestre hasta los 500 V/m. Este aumento del valor del campo eléctrico terrestre se piensa que es el responsable de los dolores de cabeza y el malestar general que padecen muchas personas en días de tormenta.
Dentro de una nube de tormenta, de un cumulonimbus, las moléculas del aire se cargan eléctricamente gracias a fenómenos de inducción, termoeléctricos y, fundamentalmente, por el rozamiento entre los átomos del aire que asciende a una velocidad de hasta 70 Km/h y las pequeñas gotas de agua y los cristales de hielo que forman la nube.
La zona superior de la nube se carga positivamente, la zona inferior negativamente y una pequeña cantidad de carga positiva se sitúa cerca de la base. Cuando la diferencia de potencial entre las diversas zonas de la nube supera el medio millón de voltios el aire deja de ser aislante, produciéndose descargas eléctricas a través suyo. La mayoría de las descargas producidas en un cumulonimbus no llegan al suelo, se desarrollan en el interior de la nube, entre dos nubes cercanas o entre una nube y el aire que le rodea. A la superficie terrestre llega un rayo de cada cuatro que se generan en el interior de la nube.
Aproximadamente el 80 % de los rayos son negativos. Estos rayos se inician en la zona inferior de la nube en donde se acumulan las cargas negativas. Esos electrones conforman una descarga guía que se dirige desde la nube hacia el suelo. La guía se ramifica en su intento de encontrar el camino de menor resistencia. Cuando una de esas ramas llega cerca del suelo, en los objetos acabados en punta (hierbas, árboles...) y en las elevaciones del terreno, las cargas negativas atraen iones positivos y los van acumulando, con lo que se acaba de formar la vía conductora entre la nube y el suelo. En este momento se produce una descarga positiva desde el suelo hacia la nube. Cuando esas dos descargas se encuentran forman un canal de aire ionizado que es por donde pasará el rayo propiamente dicho, o mejor dicho, una de las descargas del rayo (En teoría no vemos el rayo, es demasiado rápido, lo que vemos es el resultado de varias de estas descargas). Aquellas ramas de la guía que no consiguieron llegar al suelo se hacen más brillantes cuando sus cargas entran en el canal principal.
Una vez que se ha producido el rayo principal, en el interior de la nube aparecen dos descargas secundarias. Esas dos descargas a veces confluyen y vuelven a generar la descarga guía por el mismo sitio por el que pasó la anterior, repitiéndose el proceso desde el principio y dando lugar a un segundo rayo. El tiempo total que dura un rayo es de unas centésimas de segundo.
Los objetos que han sido alcanzados por el rayo muestran agujeros, que sugieren que el diámetro de los canales de descarga de los mismos puede tener entre 2 y 100 milímetros, en el caso de los más potentes.
Mientras que los rayos negativos están formados generalmente por varias descargas, los rayos positivos suelen constar de una sola descarga.
Los rayos negativos que van desde la nube a tierra tienen las ramificaciones mirando hacia abajo, están muy ramificados, y nacen en la región negativa de la nube. Los rayos positivos que van desde la nube a tierra tienen las ramificaciones mirando hacia abajo también, pero están menos ramificados, y nacen en la región positiva de la nube que se encuentra en la zona superior (Las cargas positivas se asocian a los cristales de hielo). Estos rayos positivos son, con frecuencia, más violentos que los negativos. Los rayos negativos que van desde tierra a la nube tienen las ramificaciones mirando hacia arriba, están poco ramificados, nacen en el suelo y terminan en la parte positiva de la nube. Los rayos positivos que van desde tierra a la nube tienen las ramificaciones mirando hacia arriba, están más ramificados que los anteriores, nacen en el suelo y terminan en la parte negativa de la nube.
En terreno llano la mayoría de los rayos son descendentes, pero en terreno montañoso pueden producirse rayos ascendentes. La intensidad electrica de la descarga principal de un rayo puede llegar a 50.000 Amperios, lo que origina en su recorrido una estrecha columna de aire sobrecalentada a unos 30.000° C. Este rápido calentamiento del aire, y el enfriamiento posterior, generan expansiones y contracciones del mismo. Estos cambios rápidos del volumen del aire producen las violentas ondas sonoras del trueno. El trueno recorre un espacio de un kilómetro en un tiempo de tres segundos.
El color y la tonalidad de los rayos dependen de las características del aire. Los rayos de color rojizo se producen cuando hay precipitaciones de agua, pero si en lugar de agua la nube es de granizo, el color del rayo es azulado. Los rayos de color amarillo indican una gran concentración de polvo en suspensión en la atmósfera. Si la humedad del aire es muy baja los rayos son de color blanco.
No obstante, la carga eléctrica transferida desde la nube a tierra es pequeña, pues la descarga dura solamente unas millonésimas de segundo. En total se libera una carga de unos 20 Culombios y la energía de la descarga llega a ser de unos 50 kWh.
En el planeta se producen unas 44.000 tormentas diarias con un total de 8.000.000 rayos.
Bibliografía:
“¿Por qué no se hielan los pies los pingüinos?“, Mick O'Hare, RBA Libros, 2008
“100 qüestions per entendre l'atmòsfera“, Jordi Mazon, Cossetània edicions, 2008
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