Electrificación en tormentas
por h[e]rtz
El relámpago es de los fenómenos naturales mas comunes.
Desde que Benjamín Franklin demostró que el rayo era una
descarga eléctrica gigantesca, relámpagos, rayos y
tormentas han sido objeto de numerosas investigaciones
científicas.
En 1752 se observó que en las nubes de una turbonada tormentosa
se hallan, en un estado negativo de electrificación, pero que en
algunas ocasiones se encuentra en estado positivo.
Se ha aceptado que el relámpago es el paso de carga
eléctrica, positiva o negativa, de una región de la nube
a otra, y el rayo el tránsito equivalente de nube tierra. Por lo
tanto la nube debe hallarse electrificada, es decir, las cargas
eléctricas positivas deben estar separadas de las negativas.
Los fenómenos microfísicos pueden provocar que las
cargas se separen, es decir, que en una región poseerá
más cargas positivas o negativas que la otra.
La separación de cargas se mide en volt, cuanto mayor separación, mayor es el voltaje.
En un principio el rayo se trataba como una estructura en dipolo. Para
explicar esta supuesta estructura dipolar de las nubes, se tratan dos
modelos muy diferentes: la hipótesis de la precipitación
y la hipótesis de la convección.
La hipótesis de la precipitación supone que las gotas de
lluvia, el pedrisco y las partículas de granizo en una tormenta
son atraídas hacia abajo por la gravedad a través del
aire, dejando atrás gotas de agua menores. Las colisiones entre
las grandes partículas de precipitación y la neblina de
gotitas de agua y cristales de hielo, al parecer, cargan negativamente
las partículas de precipitación; además por
conservación de la carga total, la neblina se carga
positivamente. De aquí que, si las partículas de
precipitación se cargan negativamente, la parte más baja
de la nube irá acumulando carga negativa y la parte superior
carga positiva.
En cambio el modelo de convección supone que las cargas
eléctricas de la nube proceden, inicialmente de los rayos
cósmicos y un campo eléctrico. Los rayos cósmicos
inciden sobre las moléculas del aire por encima de la nube y las
ionizan. Y el intenso campo eléctrico que ciñe objetos
puntiagudos de la superficie de la tierra produce una descarga en
corona de iones positivos. El aire caliente los transporta hacia
arriba; este asciende por convección.
Una vez han alcanzado las regiones superiores de la nube, esos iones
positivos atraen a los negativos que los rayos cósmicos
habían formado encima de la nube. Los iones negativos penetran
en la nube y se unen rápidamente a gotitas de agua o cristales
de hielo, creando así una capa pantalla cargada negativamente.
Las corrientes de aire descendentes en la periferia de la nube
transportan las partículas cargadas negativamente de la capa
protectora hacia abajo; el resultado vuelve a ser la formación
de una estructura de dipolo positivo. En todas las nubes que producen
relámpagos se observan precipitación y convección.
La hipótesis elemental de la precipitación no requiere la
convección, ni viceversa.
Un poco mas tarde se decía que la estructura básica de
una nube tormentosa era la de un dipolo positivo, hasta que se
llegó a la conclusión opuesta; la región inferior
de una nube tormentosa estaba cargada positivamente y la superior lo
estaba negativamente, formando pues un dipolo negativo.
De todas maneras a medida en la que la evolución del estudio de
las tormentas progresa, se llega a la conclusión de que la
estructura básica de las nubes tormentosas no es dipolar, sino
tripolar: hay una región principal de carga negativa en el
centro, con una región de carga positiva encima de ella y una
segunda región, menor, de carga positiva debajo de
aquélla.
Los campos eléctricos más intensos de la nube tormentosa
se encuentran en las fronteras superior e inferior de la capa principal
de carga negativa.
La región inferior de carga positiva es tan pequeña que
el campo eléctrico se halla a veces determinado por la carga
negativa principal. Se observa una capa de carga negativa por encima de
la región positiva superior. Esta capa puede proceder de iones
negativos, producidos encima y fuera de la nube, capturados
después por las gotitas de agua o las partículas de hielo
de la nube; se trata de la capa apantalladora predicha por la
hipótesis de la convección; la capa pantalla parece ser
una característica secundaria que no altera apreciablemente la
estructura básica tripolar de la nube.
La estructura tripolar de las nubes exige algunas modificaciones del
modelo de precipitación, aunque se han propuesto varios arreglos
que permitían explicar la región positiva inferior y dar
razón de que la lluvia suele llevar carga positiva.
De otra manera, el modelo de convección conducía, a una
estructura tripolar ya que admitía la descarga en corona.
Lo que si sabemos es que la mayoría de las partículas
positivamente cargadas que caen debajo de la región principal de
carga negativa no son gotitas, sino hielo.
Sabiendo también que las partículas de hielo
adquirían una fuerte carga positiva al fundirse. Aunque no
parece que la fusión del hielo cause la estructura tripolar
observada, las colisiones entre los cristales de hielo y las
partículas de granizo blando es una prueba considerable.
Cuando las partículas de granizo blando chocan con los cristales
de hielo, la polaridad de la carga que pasa a las partículas
depende notablemente de la temperatura.
Por debajo de una temperatura crítica llamada temperatura de
inversión de carga, donde las partículas se cargan
negativamente a temperaturas más altas .
La hipótesis de la inversión de carga explica
porqué las cargas negativas se encuentran con menos frecuencia
por debajo de esa altura: las partículas de granizo blando se
cargan positivamente al caer a través de los cristales de hielo
suspendidos y colisionar con ellos. Estas cargas positivas que caen
forman la región inferior positiva del tripolo.
Se ha observado también que las máximas tasas de
producción de rayos se hallan asociadas al movimiento ascendente
del granizo blando y granizo por encima de la región principal
de carga negativa. Así pues esta explicación contradice
la hipótesis de la precipitación en la que solo las
partículas de granizo blando que se movían hacia abajo
causaban la electrificación. El movimiento relativo entre los
cristales de hielo y el granizo blando es la razón probable de
la separación de cargas a gran escala.
Las corrientes descendentes están también asociadas a la
intensa precipitación que se produce cuando se agotan las
corrientes ascendentes.
En el modelo de convección, las corrientes de aire transportan
las partículas cargadas negativamente desde la capa
apantalladora hacia varios kilómetros abajo.
Una vez que la nube tormentosa se ha cargado hasta el punto en que el
campo eléctrico excede la rigidez dieléctrica local de la
atmósfera, esto es la capacidad de la atmósfera para
mantener una separación de cargas eléctricas, el
resultado es un relámpago. Durante esa fracción de
segundo, la energia electroestática de la carga acumulada pasa a
energia electromagnética, energia acústica y finalmente
en calor.
Las chispas se producen en regiones con precipitación o sin
ella, dentro y fuera de las nubes; sus trayectorias suelen ser
aleatorias.
Además que la distribución de carga y el campo no son estáticos sino dinámicos.
Descubrimos que el rayo se producía en donde el campo
eléctrico se torna más intenso; el rayo asciende entonces
a través de la región de máxima carga negativa.
Se cree que la mayor parte de la energía eléctrica de una tormenta se libera en forma de rayos.
La energía eléctrica liberada por los rayos debe proceder
de alguna parte. Se sabe que proviene del calor que provoca la
expansión del vapor de agua, se haga éste menos denso que
el aire exterior y ascienda. Durante la ascensión, el vapor se
va condensando en forma líquida o sólida; el calor
latente se desprende y el agua líquida o hielo comienzan a caer.
La energía potencial gravitatoria liberada por la
precipitación que cae es la energía disponible para
electrificar las nubes; se calcula multiplicando la fuerza gravitatoria
ejercida sobre la precipitación por la distancia caída.
La atmósfera terrestre constituye un aislante de extraordinaria
calidad ya que está situada entre dos conductores: la superficie
terrestre abajo y la alta atmósfera. Estas capas son componentes
pasivos del circuito eléctrico global.
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