El fenómeno que conocemos comúnmente como “rayo”
no “cae”, sino que asciende desde la tierra al cielo
durante el transcurso de un complejo vaivén de inmensa energía.





link: http://www.youtube.com/watch?v=xt4FZUTOul8


La sonda Cassini-Huygens registra relámpagos en una nube de la atmósfera superior de Saturno.
Observación de 16 minutos comprimida en este video de 10 segundos;
audio sintético creado con las señales electromagnéticas recibidas por la nave.
(Jet Propulsion Laboratory – NASA)


Es uno de los fenómenos planetarios más notorios, allá donde haya una atmósfera gaseosa con la suficiente densidad. El rayo, ese viejo miedo y asombro de la humanidad desde que pudimos sentir, constituye el prodigio más espectacular de los muchos que se encuentran en la atmósfera terrestre. Y desde siempre, hemos dicho que el rayo cae. Que cae de los cielos sobre nosotros, vamos, como lanzado por algún Zeus. Pero, ¿es esto verdad? ¿Realmente el rayo cae, o hay algo aún más sorprendente esperándonos también detrás de este fleco de la realidad?

De las cosas que caen.




Los seres humanos somos un bicho fuertemente antropocéntrico. Esto tiene sus cosas buenas, como por ejemplo el humanismo. Y sus cosas menos buenas, porque el antropocentrismo no deja de ser una forma colectiva de egocentrismo y etnocentrismo, a menudo con rasgos profundamente narcisistas y chauvinistas. En general, los seres humanos tendemos a pensar que todo lo que hay en el universo está para favorecernos o fastidiarnos a nosotros personalmente, como individuo, como grupo o como especie. La idea de que el universo va a su bola y nosotros no hacemos mucho más que correr de acá para allá tratando de seguir su ritmo o huir de sus peligros nos resulta inquietante, indeseable. La mayoría de la gente prefiere pensar que estamos aquí por algo, que las cosas suceden por alguna razón más allá de sus causas físicas inmediatas. Adoramos suponer que las cosas vienen hacia nosotros. Que si nos parte un rayo, nos partió por algo, y no sólo porque estábamos en medio cuando saltó sin preocuparse por nosotros ni un poquitín. Este es uno de los orígenes de la religión.

Además, a falta de información y análisis de buena calidad (y a veces hasta teniéndolo…) las personas tendemos a interpretar la realidad según nuestras preconcepciones, prejuicios, miedos, deseos, creencias y anhelos: nuestra cosmovisión. En la cosmovisión común, todo lo que sube, baja; y si algo sucede en el cielo y afecta a cosas que están en la tierra –nosotros, por ejemplo– entonces es que viene del cielo o cae del cielo. Pensar de otra manera nos resulta confuso e incómodo.

Con estos antecedentes, parece de sentido común decir que el rayo cae del cielo, viene sobre nosotros desde el cielo. Sin embargo, lo cierto es que este fenómeno sucede demasiado deprisa para que nuestros ojos puedan percibir en qué sentido viaja: buena parte de él se desplaza a la velocidad de la luz, y ninguna parte de él va más lento que una tercera parte de la velocidad de la luz. Nuestro cerebro y nuestros ojos reaccionan mucho más despacio. En realidad, cuando pasa el rayo, lo único que llegamos a percibir es un destello instantáneo; por autosugestión, percibimos que cae hacia abajo. Pero en realidad no lo hemos visto caer hacia abajo, porque no somos capaces de tal cosa. Por fortuna, ahí está la ciencia –esa aguafiestas– y los instrumentos tecnológicos que produce para echarnos una manita.

En general, la lógica de todo lo que está en el cielo tiene que caer sólo resulta válida cuando la fuerza preponderante en el fenómeno es la gravedad. Sin embargo, en el rayo y el relámpago la gravedad no juega ningún papel significativo: se trata de un fenómeno esencialmente electromagnético. Un rayo no es otra cosa que una gran chispa saltando entre dos superficies con carga eléctrica: la tierra y la nube. Por tanto, en principio, no tiene ningún sentido de circulación preferente. La mitad inferior del rayo debería subir hacia arriba y la superior, caer hacia abajo hasta encontrarse en algún punto intermedio. Sin embargo, el fenómeno es más complejo e interesante. Veámoslo.

¿Cómo se foman los rayos?

Para responder a esta pregunta correctamente, primero debemos aprender cómo se forma una tormenta eléctrica. Las tormentas eléctricas se originan en un tipo particular de nubes: los cumulonimbos. En el planeta Tierra, la inmensa mayoría parte de los rayos y relámpagos se producen durante estas tormentas; aunque también se observan ocasionalmente en las nubes de ceniza causadas por los volcanes o por grandes incendios (como los forestales) y en ciertas tormentas de arena. Todos ellos son sitios donde el rozamiento entre una miríada de partículas en suspensión puede generar carga eléctrica y electricidad estática. En el planeta Tierra, más del 95% de los rayos y relámpagos suceden en los cumulonimbos; el 20% alcanzan el suelo y el 80% circulan de nube a nube. En todo momento, hay unas mil ochocientas tormentas eléctricas sucediendo a la vez, lo que totaliza unos dieciséis millones de ellas al año.

Los rayos, ¿suben o bajan?
Un comulonimbo


Los cumulonimbos son nubes convectivas densas y pesadas, con notable desarrollo vertical, lo que les da la forma de una montaña o de grandes torres en el cielo. Su parte superior tiende a ser plana (lo que en ocasiones les hace parecer un yunque) y a menudo suave, aunque también puede aparecer como fibrosa o estriada. Bajo la base, muy oscura, aparecen nubes desiguales. Los cumulonimbos traen lluvia y granizadas fuertes y breves, a veces en forma de virga. Si hay granizo, truenos o relámpagos, estamos sin duda ante una de estas nubes. Aunque no todos los cumulonimbos traen tormentas eléctricas. Con frecuencia, se limitan a provocar precipitaciones intensas pero de corta duración. Cuando ocasionan tormentas eléctricas, éstas suelen tener una duración máxima de media hora; si dura más, es que hay varios.

Dentro de estas nubes se forman un montón de gotitas de agua, que salen propulsadas hacia arriba debido a sus corrientes ascendentes internas (updraught). Así se enfrían con un mecanismo de sobrefusión; unas se van acumulando en forma de granizo blando y otras permanecen como minúsculas partículas heladas. Cuando el granizo es lo bastante grande y pesado, cae a través de la nube y desciende chocando y rozando contra las partículas pequeñas que viajan hacia arriba. Durante estas colisiones, algunos electrones de las partículas resultan capturados por el granizo, con lo que éste adquiere una carga negativa (mientras que las partículas que siguen subiendo a lo alto, desprovistas de esos electrones, presentan carga positiva). Así se van generando acumulaciones de carga eléctrica estática en la parte inferior y superior del cumulonimbo.

Una parte del granizo descendente con carga negativa se ha vuelo ahora tan pesado que las corrientes ascendentes no pueden propulsarlo de nuevo hacia arriba, con lo que queda durante un tiempo entre dos aguas, sin llegar a caer aún a tierra pero concentrado en las regiones inferiores de la nube. Así, la base de la nube se va volviendo fuertemente electronegativa. Como consecuencia, el trozo de tierra que hay debajo se va haciendo fuertemente electropositivo por inducción electrostática (explicado un poco a lo bruto: los electrones presentes en la parte inferior de la nube repelen a los que se encuentran sobre la superficie terrestre y los separan de sus átomos, dejando a éstos con carga positiva) Conforme el fenómeno se desarrolla, dos intensísimas cargas eléctricas se van acumulando –una negativa en la base de la nube y la otra positiva en la superficie terrestre– separadas por una capa de aire. El aire es un poderoso aislante eléctrico, lo que impide que estas cargas se reequilibren poco a poco. Así se va formando un gigantesco condensador natural, que a cada segundo aumenta más y más su carga.

En un determinado momento, esta carga es ya insoportablemente alta y se inicia un proceso de reequilibrio. El mecanismo exacto que lo dispara sigue siendo objeto de disputa, pero lo que ocurre a continuación es bien conocido. Básicamente se trata de un proceso en tres etapas, que crea canales conductores en el aire aislante. En cuanto estos canales se establezcan, una violenta descarga casi-instantánea circulará por uno de ellos para igualar las cargas entre la base de la nube y la superficie de la Tierra, con gran energía en forma de luz y calor: el rayo.


La formación de los canales conductores.

rayos
Formación del rayo

La formación de estos canales conductores en el aire aislante constituyen una especie de “pre-rayo” o “relámpago preliminar”. El proceso comienza con la generación de los llamados líderes escalonados (stepped leaders), de energía relativamente baja (decenas a cientos de amperios) y luz tenue, que a veces llega a ser percibida por el ojo pero más a menudo resulta invisible por completo. Estos líderes surgen cuando la atracción entre la base electronegativa de la nube y la superficie terrestre electropositiva supera un cierto umbral. Entonces, los electrones excedentes de la base nubosa comienzan a salir despedidos hacia la superficie a notable velocidad: unos 120 kilómetros por segundo.

Estos líderes no pueden viajar mucho: apenas unos cincuenta metros, con algunos llegando al centenar. Pero como siguen bajando electrones desde la nube en gran cantidad, se supera de nuevo el umbral y los líderes dan otro salto de cincuenta o cien metros, y así sucesivamente, extendiéndose en diversas direcciones como el delta de un río. Cada uno de estos saltos o escalones dura unas cincuenta millonésimas de segundo. Por donde pasan, van dejando “canales” o “riachuelos” de aire fuertemente ionizado, que se vuelve conductor de la electricidad. En unas veinte milésimas de segundo se están acercando a la superficie, con unos cinco culombios de carga.

Cuando uno de estos líderes escalonados se aproxima al suelo, provoca chispas positivas ascendentes que parten de la tierra y “salen a interceptarlo”. Estas chispas se llaman gallardetes positivos (positive streamers) y surgen típicamente de los objetos conectados al suelo más próximos a la nube: la parte superior de los árboles, los edificios, las colinas o lo que sea. Cuando los gallardetes positivos entran en contacto con los líderes escalonados, la conexión eléctrica entre la nube y la tierra queda establecida a través de estos “canales”, “riachuelos” o “cables” de aire fuertemente ionizado y por tanto conductor. Necesariamente, uno de estos caminos tendrá una resistencia más baja que los demás.

Entonces, los electrones situados en la región inferior del canal se precipitan violentamente hacia el suelo velocidades próximas a las de la luz. Esto provoca una intensísima corriente eléctrica en dirección a la superficie, ocasionando un potente destello inicial en las cercanías del suelo, con fuerte emisión de calor. El rayo acaba de comenzar.




link: http://www.youtube.com/watch?v=2XwFF5idD_0

Un rayo filmado a 7.200 FPS y reproducido a cámara lenta. Se observa perfectamente el desarrollo
de los líderes escalonados, estableciendo la conexión entre la nube y la tierra,
seguido por el intenso destello del rayo principal. (Tom A. Warner / ZT Research)



El rayo.






[color=cyan]

Sin embargo, esta “apertura de canal” no se traduce en una avalancha instantánea de electrones circulando desde la nube hacia el suelo. Nos lo explica el Dr. Martin A. Uman, uno de los mayores expertos mundiales en fenómenos relacionados con el rayo: Cuando el líder queda conectado al suelo, las cargas negativas en la parte inferior del canal se mueven violentamente hacia el suelo, haciendo que fluyan hacia éste grandes corrientes y provocando que el canal se vuelva muy luminoso en esta zona. Pero dado que las señales eléctricas (o cualquier otra señal, para el caso) tienen una velocidad máxima de 300.000 km/s –la velocidad de la luz–, el canal líder situado por encima del suelo no tiene ninguna maera de saber, durante un breve periodo de tiempo, que el líder de abajo ha tocado el suelo y se ha vuelto muy luminoso. Así, la luminosidad del canal –el golpe de retorno (return stroke)– se propaga continuamente hacia arriba del canal y por los ramales laterales a una velocidad de entre 30.000 y 100.000 km/s. El viaje desde el suelo hasta la nube dura unas cien millonésimas de segundo. Conforme la luminosidad del golpe de retorno se mueve hacia arriba, con ella asciende también la región de alta corriente. –Martin A. Uman, “All about lightning”, Dover Publications, Nueva York, 1986.




Vamos a explicarlo de otra manera, por si se no ha entendido bien. Lógicamente, en un rayo común los electones van a viajar desde la base nubosa (electronegativa, con electrones excedentes) hacia el suelo (electropositivo, con déficit de electrones); esto es, hacia abajo. Pero el “fenómeno rayo”, lo que los humanos entendemos habitualmente como “un rayo” –la luz, el calor, la generación del trueno, técnicamente el golpe de retorno–, se forma hacia arriba. Por esto decimos que el rayo “asciende” en vez de “caer”.

La razón radica en que la velocidad de la luz en el vacío es el límite absoluto de rapidez para todo ente con masa o información. La información de que el canal conductivo ha quedado establecido no puede viajar hacia la base de la nube más deprisa de lo que van cayendo los electrones situados en las regiones inferiores del canal hacia abajo, puesto que éstos ya lo hacen a la velocidad de la luz. En la práctica, hacen falta unas cien millonésimas de segundo para que la base de la nube “se entere” de que el canal con el suelo ha quedado establecido y empiece a lanzar el resto de los electrones hacia abajo. Durante ese periodo el “golpe de retorno” sube hacia arriba y, con él, la región de alta corriente.

Los rayos más potentes pueden transportar corrientes de hasta 120.000 amperios y 350 culombios, aunque normalmente suelen andar por los 30.000 amperios y quince culombios. No es raro que produzcan temperaturas de hasta 30.000 ºC; este calor, al transferirse al aire, ocasiona las ondas de choque que forman el trueno (que, lógicamente, también se crea de abajo arriba). Surgen señales de radiofrecuencia de gran longitud de onda. En los últimos años se ha descubierto que los rayos generan también notables emisiones de radiación ionizante, los destellos terrestres de rayos gamma (TGF).

Completado el golpe de retorno primario, pueden producirse otros secundarios; entonces, el rayo parece “centellear”. Este fenómeno se produce de manera análoga al primero: surgen de la base nubosa los llamados líderes dardo (dart leaders) que recorren de nuevo el canal en dirección al suelo, seguidos por los nuevos golpes de retorno ascendentes. Al finalizar el fenómeno, la diferencia de carga entre la base de la nube y el suelo ha desaparecido.
[/color]

Espero que el post les sirva y creo que a muchos (o algunos) nos hemos quitado una duda existencial

No olvides comentar

Fuente