5 de diciembre de 2022
Crédito de la imagen: Shutterstock
Finalmente, tenemos una respuesta a este misterio.
Todos han visto un relámpago y se han maravillado de su poder. Pero a pesar de su frecuencia (alrededor de 8,6 millones de rayos ocurren en todo el mundo todos los días), sigue siendo un misterio por qué los rayos viajan en serie desde la nube de tormenta hasta el suelo.
Hay algunos libros de texto sobre rayos, pero ninguno explica cómo se forman estos “zigzags” (llamados pasos) y cómo los rayos pueden viajar millas. Mi nueva investigación ofrece una explicación.
Los fuertes campos eléctricos de las nubes de tormenta excitan los electrones para que tengan suficiente energía para crear “moléculas de oxígeno singlete-delta”. Estas moléculas y electrones forman una fase corta altamente conductora que se enciende con fuerza durante una millonésima de segundo.
Hay una pausa al final de la etapa cuando la acumulación ocurre nuevamente, seguida de otro salto brillante y resplandeciente. El proceso se repite una y otra vez.
El aumento de los fenómenos meteorológicos extremos hace que la protección contra rayos sea cada vez más importante. Una vez que sabemos cómo iniciar un rayo, podemos descubrir cómo proteger mejor los edificios, las aeronaves y las personas. Aunque el uso de materiales compuestos ecológicos en las aeronaves mejora la eficiencia del combustible, estos materiales aumenta el riesgo de daños por rayosasí que tenemos que buscar protección adicional.
¿Qué causa la caída de un rayo?
Los rayos caen cuando se conectan a tierra nubes de tormenta con un potencial eléctrico de millones de voltios. Una corriente de miles de amperios circula entre la tierra y el cielo, con una temperatura de decenas de miles de grados.
Las fotos con flash revelan una serie de detalles que no se pueden ver a simple vista. Por lo general, cuatro o cinco “líderes” débiles emergen de la nube. Estos son ramificados y zigzaguean en un camino irregular hacia el suelo.
El primero de estos líderes en llegar a la Tierra inicia un rayo. Los otros líderes entonces se apagan.
Hace cincuenta años, la fotografía de alta velocidad reveló una complejidad aún mayor. Los líderes proceden hacia abajo desde la nube en “pasos” de aproximadamente 50 metros de largo. Cada paso se ilumina durante una millonésima de segundo, pero luego es una oscuridad casi total. Después de otras 50 partes por millón, se forma otra fase, al final de la fase anterior, pero las fases anteriores permanecen oscuras.
¿Por qué hay tales etapas? ¿Qué sucede en los tiempos oscuros entre etapas? ¿Cómo se pueden conectar electrónicamente los escenarios a la nube sin una conexión visible?
Las respuestas a estas preguntas radican en comprender qué sucede cuando un electrón energético golpea una molécula de oxígeno. Si el electrón tiene suficiente energía, excita a la molécula al estado delta singlete. Este es un estado “metaestable”, lo que significa que no es completamente estable, pero por lo general no cae a un estado de menor energía durante unos 45 minutos.
El oxígeno en este estado delta singlete elimina los electrones (necesarios para que fluya la electricidad) de los iones de oxígeno negativos. Estos iones son luego reemplazados casi inmediatamente por electrones (que tienen una carga negativa), que nuevamente se adhieren a las moléculas de oxígeno. Cuando más del 1% del oxígeno del aire se encuentra en un estado metaestable, el aire puede conducir la electricidad.
Por lo tanto, las fases de destello ocurren cuando se crean suficientes estados metaestables para separar una cantidad significativa de electrones. Durante la parte oscura del paso, aumenta la densidad de estados metaestables y electrones. Después de 50 millonésimas de segundo, el escalón puede conducir electricidad, y el potencial eléctrico en la punta del escalón aumenta hasta aproximadamente el potencial de la nube y produce un escalón adicional.
Las moléculas aceleradas creadas en los pasos anteriores forman una columna hasta la nube. En este caso, toda la columna conduce la electricidad sin necesidad de un campo eléctrico y con poca luz.
Proteger a las personas y la propiedad
Comprender la formación de rayos es importante en el diseño de la protección de edificios, aeronaves y también de personas. cuando es rayos raros golpean a las personaslos edificios son golpeados muchas veces, especialmente los altos y aislados.
Cuando un rayo cae sobre un árbol, la savia dentro del árbol hierve y el vapor resultante crea presión y divide el tronco. Asimismo, cuando un rayo cae en la esquina de un edificio, el agua de lluvia que se filtró en el concreto hierve. La presión vuela toda la esquina del edificio, creando un riesgo de colapso mortal.
Inventado por Benjamin Franklin en 1752, el pararrayos es básicamente un alambre de cerco grueso sujeto a la parte superior de un edificio y conectado al suelo. Está diseñado para atraer rayos y conectar a tierra la carga eléctrica. Al dirigir el flujo a través del cable, evita que el edificio sufra daños.
Estas barras Franklin se necesitan hoy en edificios altos e iglesias, pero el factor incierto es cuántas se necesitan para cada estructura.
Además, cientos de edificios no están protegidos, incluidos los refugios en los parques. Estas estructuras a menudo están hechas de hierro galvanizado altamente conductivo, que a su vez atrae los rayos, y están sostenidas por postes de madera.
La nueva versión de Standards Australia para la protección contra rayos recomienda que dichas protecciones estén conectadas a tierra.
Juan Lowkedocente de física, Universidad de Australia del Sur
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