Ciencia y Tecnología
22 de abril de 2013

Rayos, belleza fugaz

Dr. Héctor F. RANEA SANDOVAL

 

Nadie tiene idea de cuándo pudo el ser humano, incluso antes de ser como hoy es, imaginar por primera vez qué podía ser un rayo, pero seguramente fue de los primeros acontecimientos naturales que lo conmocionaron. Como todos advertimos, desde la época de aquel primate loco que supimos ser, viene acompañado de manifestaciones luminosas y estruendosas dentro de las nubes.

Hoy sabemos, luego de siglos de análisis, éxitos y fracasos, que es una transferencia de carga eléctrica entre la Tierra y las nubes de tormenta, acompañado por la liberación violenta e incontrolada de energía en forma de plasma, calor y sonido.

Estas descargas eléctricas pueden clasificarse como chispas. Chispas gigantescas, es cierto, pero de naturaleza prácticamente idéntica a las que sufrimos al caminar por alfombras y acercar las manos a algún objeto metálico o las que nos sorprenden al bajar de un automóvil un día seco y tocarlo. Para que se noten las diferencias: mientras una chispa de alfombra rara vez supera el centímetro de longitud desde la mano al objeto, un rayo puede normalmente llegar a medir cerca de un kilómetro entre la nube participante y la Tierra. Y otros eventos emparentados (relámpagos, por ejemplo) bien pueden ser hasta diez veces más largos, entre otras diferencias morfológicas.

Para fijar ideas, la carga eléctrica (medida en Coulomb, C) en un condensador típico de circuitos electrónicos ronda los 100 nC (nanoculomb), la carga para cambiar un bit en una PC es del orden de 100 fC (femtoculomb). El prefijo nano refiere a un uno antecedido por la coma decimal seguida de 9 ceros, femto es el prefijo para cantidades un millón de veces menores. Para un rayo común la carga transferida llega a los 20 C o incluso supera los 100 C. Como se advierte, las cosas son enormemente diferentes.

Los rayos tienen su origen en que el planeta tiene atmósfera y agua, el Sol calienta el aire evaporando grandes masas de agua; las diferencias de presión atmosférica generadas hacen que el aire, cargado de humedad, pueda moverse de un punto a otro y, siendo más caliente, ascienda. Ese mecanismo simple hace que el vapor del agua se vaya condensando a diferentes alturas formando nubes. Si las corrientes ascendentes son violentas (con velocidades que pueden alcanzar los 160 km/h), el vapor de agua puede llegar hasta los 12 o 13 km de altura formando, en ciertas condiciones, una nube llamada nube de tormenta o cumulus nimbus que contiene una enorme masa de agua y gran desarrollo vertical.

En dicha nube se producen gotas de agua congeladas (granizo) que realizan varios ciclos de subida y bajada en la misma, colisionando a su vez con las gotas de agua traídas por los vientos verticales, mientras con cada colisión crecen de tamaño y, al parecer, de forma similar a la de nuestros pies caminando por nuestra alfombra, se transfieren carga formando iones (átomos o moléculas cargados).

Por lo general, las partículas que se acumulan en la base de la nube tienen cargas negativas (excepto en algunos bolsones positivos) y las partículas que pueblan la parte superior de la nube tienen cargas positivas. A su vez, en Tierra la repulsión desaloja las cargas negativas de la “sombra eléctrica” de la nube quedando esa zona positiva respecto de la nube. Mientras la atmósfera siga siendo aislante (como de hecho lo es en general, por suerte) no suceden demasiadas cosas espectaculares.

Ahora bien, en la nube de tormenta el aire está sometido a tensiones eléctricas enormes (del orden de 10 ¡y hasta 100 millones de volts!) lo que genera muchas cosas que no vemos normalmente en casa. Una de ellas es el efecto corona, o fuegos de San Telmo, en el que suaves cabellos que dan la impresión de llama azul, forman filamentos alrededor de la nube y en Tierra (en árboles, casas, personas, antenas, pararrayos, etc.), abajo de la nube. O sea: si fuera posible observar una nube de cerca se la vería rodeada de una suerte de llamas azulinas igual a las que se veríamos en los objetos en Tierra. Esas llamaradas tienen, sin embargo, pocos metros de longitud.

La aparición de esos filamentos se debe a que una cantidad, que llamamos campo eléctrico (responsable de acelerar las partículas cargadas) ha crecido, desde un valor normal en tiempo bueno de 100 V/m (tener en cuenta que a 90 m de una antena de celular se genera un campo de 0,5 V/m y que dentro de una casa llega a los 10 V/m) a valores que pueden superar los 100 kV/m, o sea, ¡unas mil veces mayor! A partir de ahí comienza algo espectacular: las cargas en la nube forman uno o varios canales denominado líderes al ser aceleradas por tal campo pero, a su vez, van dejando atrás cargas positivas que, eventualmente, construyen campos de sentido contrario que las detienen y ahí esperan. Ese desplazamiento (de entre 11 m y 50 m) se produce en una millonésima de segundo. Pero esa situación es inestable. El campo sigue tan alto que acelera las cargas luego de esa espera que puede ser de hasta de 10 veces más duración y la corrida hacia Tierra continúa. Esto hace que el crecimiento de los líderes se asemeje al de, por ejemplo, una raíz vegetal y esté troceada por escalones.

Eventualmente, esos líderes se acercan tanto a la Tierra que en ella se generan canales (que llamamos streamers o chorros) que suben cargas positivas en un camino un poco menos errático aunque no necesariamente único. Esta etapa del rayo es prácticamente invisible a nuestros ojos. Sí percibiríamos que nuestros cabellos comenzarían a pararse, sentiríamos cosquilleos en la piel, ruido como a la fritura de papas a nuestro alrededor y un cierto perfume a ozono con reminiscencias a lavandina.

Todo esto puede tardar hasta 1 ms (milésimas de segundo) y va dejando un camino ionizado completo y muchos truncos. Ese lapso representa muy poco tiempo para nosotros, pero para las cargas en esa situación es un tiempo enorme. Las corrientes (paso de carga en unidades de tiempo) involucradas pueden ser del orden de 10 a 100 A (Amperes). En ciertas circunstancias, el líder se encontrará con algún streamer y entonces sí el camino de ionización se convierte en el rayo o, podríamos llamarlo: “el retorno”, porque las cargas ascendentes y las descendentes hacen que haya una corriente neta que descargará (por mecanismos complicados) de 10 a 100 C en el tiempo que tarda en transportarse la carga, que lo hace a una velocidad de 100.000 km/s (kilómetros por segundo), comparable a la de la luz (300.000 km/s).

Esto significa un incremento de la corriente a una tasa del orden de  mil millones de Amperes por segundo, alcanzando así corrientes pico cercanas a los 30 kA (kiloamperes) y, en cierto tipo de rayos, cercana a los 500 kA (¡medio millón de Amperes!) lo que produce efectos visibles ¡y cómo! Baste pensar sólo que la temperatura del plasma sube a más de 50.000 °C (¡cinco veces superior a la de la superficie del Sol!) en un canal de algunos centímetros de diámetro: el rayo.

Es tal la emisión de luz en esas condiciones que eso hace visibles la mayoría de las descargas abortadas. Además, semejante elevación de temperatura en tan breve tiempo produce una onda de choque que, a pocos metros del canal de descarga, se convierte en una onda acústica: el trueno.

La corriente pico, la carga total transferida, el cambio de corriente en el tiempo y la energía desarrollada producen efectos deletéreos sobre personas, ambiente y edificios que van desde daños permanentes hasta la muerte o destrucción. Para evitar esos efectos existen sistemas de pararrayos que protegen, sea porque aumentan la probabilidad de formación del rayo en ellos, sea porque, usados en ciudades (donde existen muchos pararrayos) pueden suavizar los campos y disminuir la probabilidad de que ocurran estos fenómenos.

En cuanto a las personas, deben extremarse las precauciones y hacer lo posible por no estar fuera en condiciones de tiempo favorables a la aparición de estas manifestaciones. Lo que mata es la idea de cada uno de nosotros de que no nos pasará nada. Mueren entre una y dos personas por año por millón de habitantes, frente a la cantidad de rayos que ocurren por año en nuestro planeta (aproximadamente 3 millones por día) no parece mucho, pero si el que muere es uno mismo, se muere todo.

Entre las cuestiones más importantes para no sufrir accidentes, ténganse en cuenta estas recomendaciones básicas: no salir a campo abierto si hay tormenta anunciada, no tirarse al suelo sino más bien ponerse en posición fetal con las manos tapándose los oídos o correr si hay tiempo, separarse a más de 5 m si están en grupo, cobijarse dentro de un auto si lo tienen y rescatar a la gente alcanzada por rayos: ellas no tienen carga a pesar de lo que se muestra en ciertos dibujos animados. Recuerde: los rayos no caen, ni matan balcones, por cierto.

En la Argentina hay varios grupos dedicados al análisis de rayos y su incidencia sobre el clima y la economía, entre ellos: el Laboratorio de Alta Tensión (INTI) y DEILAP (Departamento de Láseres y Aplicaciones) de CIDETEF (Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa).

Tenga presente aquello que dijo Sun Tzu (544 – 496 AC): “Cuando estalla el trueno es demasiado tarde para taparse los oídos”.

Dr. Héctor F. RANEA SANDOVAL:
Profesor Titular, Fac. Cs. Exactas (UNICEN), Investigador Independiente CONICET, Miembro del IFAS.
Contacto: hranea [at] exa [dot] unicen [dot] edu [dot] ar