Electricidad atmosférica
El ser humano, desde los muy viejos tiempos buscaba en los Dioses la protección divina a algo que lo aterrorizaba, los rayos. El ser humano se maravilla o asusta por este fenómeno natural, ya sea por desconocimiento o por haber sufrido una mala experiencia.
El rayo está representado por diferentes Dioses en todas las creencias:
Rain-Jin: Dios japonés de las tormentas
Zeus: Dios griego y padre de todos los Dioses y Dios de los fenómenos atmosféricos.
Thor: Dios nórdico que mientras se paseaba por las nubes creaba los rayos a golpe de martillo sobre un yunque.
Jupiter: Dios romano que lanzaba rayos desde el cielo
Tlaloc: Dios azteca de la lluvia y de los rayos
Hoy podemos afirmar que podemos protegernos de este fenómeno eléctrico con la técnica, y los conocimientos obtenidos luego de años de estudio.
Los cuerpos materiales que son objeto de nuestra vida diaria son en general, eléctricamente neutros. Es decir, no presentan una carga negativa o positiva neta, aunque en realidad están compuestos por millones de partículas con cargas de ambos signos.
Como las cargas de igual signo tienden a repelerse y las de signo opuesto a atraerse, la referida separación de cargas producirá efectos correspondientes sobre otros cuerpos vecinos. Por lo tanto una región de carga negativa en un cuerpo, inducirá una región de cargas positiva sobre la superficie más cercana de algún otro cuerpo que se encuentre en proximidades del primero. En tal estado se dice que existe un campo eléctrico entre ambas cargas, dirigido desde las positivas hacia las negativas.
En condiciones normales, el aire que rodea a la superficie terrestre es un mal conductor eléctrico. De modo que los centros de carga de signo opuesto no se neutralizan en forma rápida, a menos que entre ambos pueda producirse una descarga eléctrica denominada ruptura o avalancha, algo similar a una chispa o a una sucesión de chispas. Dicho fenómeno depende de diversos parámetros, tales como la magnitud de los centros de cargas, la distancia entre los mismos, la presión atmosférica, la humedad e incluso la geometría de los cuerpos. En efecto, se constata que las descargas suelen iniciarse sobre las protuberancias puntiagudas de los mismos.
En la atmósfera podemos encontrar en buen tiempo una diferencia de potencial de 100 a 150 volts por metro de tierra a nivel del mar. En tiempo tormentoso en las partes altas de las estructuras, árboles, pararrayos se puede llegar o superar los 45.000 volts/metro.
Este efecto puede producir en los elementos puntiagudos chispas pequeñas, ozono, vibraciones del cable de P.A.T., entre otros efectos.
Este es el comienzo de la ionización del aire, un electrón ioniza un átomo, produciendo un segundo electrón y este a la vez ioniza otro átomo que libera otro electrón y es así que se forma una avalancha electrónica que se desarrolla en forma exponencial.
Tormenta eléctrica:
Las estadísticas indican que alrededor de 1800 tormentas con actividad eléctrica se originan simultáneamente en el planeta. Y que los rayos alcanzan la superficie de la tierra unas 100 veces por segundo.
En la actualidad se sabe que un determinado tipo de nube, la cumulos nimbus, es la responsable de esta actividad eléctrica..
Son nubes precipitantes de un gran desarrollo vertical, algunas llegan a los 10 km de altura. Dentro de ellas se encuentran fuertes corrientes de aire, turbulencias, regiones con temperaturas inferiores a la de congelación, cristales de hielo y granizo.
Estos elementos son los responsables de la acumulación de cargas positivas en la cima de la nube y de negativas en la base de ella.
A medida que las cargas negativas se van acumulando en la base de la nube, se inducen cargas positivas sobre el suelo por debajo de la nube. Las cargas positivas siguen a la nube en su desplazamiento horizontal como una sombra y además tienden a trepar los obstáculos que encuentran a su paso, tendiendo a unirse a la base de la nube.
Concurrentemente con el avance de la nube, se va modificando el campo eléctrico observable en la tierra, que se invierte a valores positivos muy intensos.
En estas condiciones es posible que se produzca la descarga eléctrica a través del rayo, mediante una secuencia de pasos que permite en cada uno de ellos que se produzca el valor de ruptura del campo eléctrico.
Ver figuras 1 y 2
Propagación del rayo
El proceso de propagación del rayo entre la nube y el suelo es sumamente rápido y va acompañado por una luminosidad tan intensa que suele encandilar al observador. Sin embargo mediante el uso del instrumental adecuado, es posible distinguir una secuencia de etapas.
En cada descarga por rayo se tiene, en general, una fase progresiva relativamente lenta y poco intensa, seguida al llegar al suelo por una fase regresiva rápida y brillante.
La fase progresiva está compuesta por una sucesión de predescargas, llamada descargas en escalera o trazador descendente. Cada predescarga parece una línea débilmente luminosa que se extiende unos 50 metros y cuya extremidad es una punta brillante. De dicha punta parte el trazo de la predescarga siguiente, su dirección puede variar, y así ir propagando la fase progresiva en forma descendente.
Lo que se describe es en realidad, una secuencia de pequeñas avalanchas electrónicas, separadas por intervalos de millonésimas de segundo. Algunas terminaciones se bifurcan, dando lugar a ramificaciones. Sin embargo, cada predescarga se origina en la base de la nube y recorre el camino de las anteriores antes de
propagarse un poco más. Se podría decir que en ésta etapa se va descolgando un cable conductor desde la nube al suelo.
Poco antes de que la descarga en escalera o trazador descendente alcance el suelo, se elevan a su encuentro desde tierra una o más descargas brillantes, llamadas trazadores ascendente y que se originan en los objetos más elevados y puntiagudos.
Es como si distintos puntos desde el suelo compitieran entre sí para alcanzar el rayo.
Establecido el contacto se tiene un canal de conducción eléctrica entre la nube y el suelo. Se produce la descarga de retorno que es brillante e intensa y que sube desde la tierra con una velocidad mucho mayor que la descarga en escalera.
La primera parte de la fase progresiva, antes que la descarga en escalera comience a ramificarse, suele recibir el nombre de rayo piloto.
Asimismo se suele denominar descarga principal a la primera fase regresiva que se produce tras la formación del canal de conducción, para diferenciarla de eventuales descargas posteriores.
Si se observan descargas posteriores a la principal, serán generalmente continuas, debido a que ya está formado el canal de conducción. Dichas descargas se atribuyen a la existencia de otros centros de carga negativa de la nube, que hacen contacto antes que el canal se extinga.
En la figura 2 se representa paso a paso lo que se acaba de describir.
Ver figura 2
Clasificación de los rayos
Esta clasificación está dada por el origen del trazador y su polaridad.
Los rayos descendentes negativos son los más frecuentes en zonas llanas, el 90%.
Los rayos ascendentes positivos son menos frecuentes y en general se producen en territorio montañoso, el 10%.
Los rayos simple cortos con una duración menos de 2ms
Los rayos simple largos con una duración mayor de 2ms
Tiempo: es de una millonésima de segundo
Diámetro del canal: 10 Centímetros
Campo eléctrico ambiental: 10Kv/m
Temperatura: 30000 ºC supera a la temperatura de la superficie del sol.
Longitud: es normalmente de 5 a 7 Km
Cabe mencionar, también, que el número de predescargas por unidad de tiempo es, en la fase progresiva, del orden de la radiofrecuencia. A esto se debe la interferencia en equipos de radio durante las tormentas eléctricas.
Efectos acústicos: el trueno es el ruido asociado a la descarga de un rayo, provocado por el canal de descarga que es un conductor gaseoso. Su diámetro como ya se ha dicho de 10 cm. aproximadamente., que al ser recorrido por un gran pulso de corriente se produce un calentamiento casi instantáneo del aire contenido, pudiendo llegar hasta una temperatura de 30.000ºC .
Como consecuencia de ese calentamiento rápido, el aire se expande localmente con una velocidad mayor que la del sonido, produciéndose así una onda similar a la de una explosión.
Efectos electroquímicos: son despreciables y de poca influencia sobre las puestas a tierra únicamente.
Efectos de inducción: son los más difíciles de evitar. La proximidad de un rayo sobre un sitio y su salida a través de conductores, crea un flujo magnético generador de tensiones inducidas destructoras.
Efectos indirectos: tensiones de paso, se pueden establecer sobre puntos vecinos del suelo diferencias de potencial peligrosos.
Efectos de los rayos sobre aeronaves:
Toda aeronave que se encuentre en las inmediaciones de una tormenta eléctrica puede ser alcanzada por un rayo. Este fenómeno se observa con mayor frecuencia a una altura próxima al nivel de congelación, es decir con una temperatura externa de 0ºC. Las aeronaves comerciales modernas se desplazan con una elevación mayor, siendo pocos los impactos de rayos registrados fuera de la zona de tránsito de aeródromos.
A menudo el efecto del rayo sobre la aeronave pasa inadvertido y se detecta luego del aterrizaje. Como el avión no es una caja metálica perfecta es posible que se propaguen a su interior corrientes peligrosas. Asimismo tiene protuberancias como antenas, planos o hélices que por su ubicación son los más vulnerables.
El instrumental del avión es muy sensible a los pulsos eléctricos que pueden entrar a los circuitos. Si existe evidencia que ha sido alcanzado por un rayo todo instrumental será considerado presumiblemente defectuoso, debiéndose verificar el normal funcionamiento del rumbo, comunicaciones etc.
En lo que se refiere al daño directo a los ocupantes del avión, si bien hay casos de quemaduras, se trata de hechos muy aislados, siendo más probables los casos de ceguera temporal por la luminosidad del rayo e incluso desorientación o pérdida de equilibrio.
Para los pilotos, la única recomendación absoluta es evitar volar en las proximidades de una tormenta eléctrica, especialmente a una altura cercana al nivel de congelación.
La Universidad Nacional de Córdoba (UNC)
La Facultad de Matemáticas, Astronomía y Física (FAMAF) de la Universidad Nacional de Córdoba, integra la World Wide Lightining Location Network (WWWLLN), que es una red que se dedica a censar todas las tormentas eléctricas que se producen en el planeta.
De las 25 antenas o estaciones que se distribuyen en el mundo, la única en Argentina funciona en la UNC.
La WWLLN, fue creada en el año 2004 y está integrada por 25 antenas separadas entre sí por unos 3000 km como mínimo. Estas antenas captan las señales eléctricas que producen las descargas al caer (similares a las interferencias que se producen en una radio), procesa esos datos y los transmite por internet a la Universidad de Washington.
En esta Universidad se concentra toda la información y se conforma un mapa con la actividad ceráunica mundial.
Bibliografía:
Fuerza Aérea Argentina
Servicio Meteorológico Nacional
Asociación Meteorológica de Andorra
World Wide Ligtning Location Network
