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Un rayo cayó sobre el edificio más alto del mundo: Burj Khalifa .
Golpes de relámpagos de nube a tierra durante una tormenta eléctrica
Video de relámpago de alta velocidad y cámara lenta capturado a 6.200 cuadros por segundo
Rayo de nube a tierra en Maracaibo , Venezuela

El rayo es una descarga electrostática natural durante la cual dos regiones cargadas eléctricamente en la atmósfera o el suelo se igualan temporalmente, provocando la liberación instantánea de hasta un gigajulio (mil millones de voltios, escala corta) de energía . [1] [2] [3] Esta descarga puede producir una amplia gama de radiación electromagnética , desde plasma muy caliente creado por el rápido movimiento de electrones , hasta destellos brillantes de luz visible en forma de radiación de cuerpo negro . Causas del rayotrueno , un sonido de la onda de choque que se desarrolla como gases en las proximidades de la descarga que experimentan un aumento repentino de presión. Los rayos ocurren comúnmente durante las tormentas eléctricas y otros tipos de sistemas climáticos energéticos , pero los rayos volcánicos también pueden ocurrir durante las erupciones volcánicas.

Los tres tipos principales de rayos se distinguen por dónde ocurren: ya sea dentro de una sola nube de tormenta , entre dos nubes diferentes o entre una nube y el suelo. Se reconocen muchas otras variantes de observación, incluido el " relámpago de calor ", que puede verse desde una gran distancia pero no oírse; relámpagos secos , que pueden provocar incendios forestales ; y un rayo de bola , que rara vez se observa científicamente.

Los seres humanos han deificado los rayos durante milenios. Las expresiones idiomáticas derivadas del rayo, como la expresión en inglés "bolt from the blue", son comunes en todos los idiomas.

Electrificación [ editar ]

(Figura 1) El área de carga principal en una tormenta eléctrica ocurre en la parte central de la tormenta, donde el aire se mueve hacia arriba rápidamente (corriente ascendente) y las temperaturas oscilan entre -15 y -25 ° C (5 a -13 ° F).

Los científicos aún están estudiando los detalles del proceso de carga, pero existe un acuerdo general sobre algunos de los conceptos básicos de la electrificación de las tormentas. El área de carga principal en una tormenta eléctrica ocurre en la parte central de la tormenta donde el aire se mueve hacia arriba rápidamente (corriente ascendente) y las temperaturas oscilan entre -15 y -25 ° C (5 a -13 ° F); ver Figura 1. En esa área, la combinación de temperatura y el rápido movimiento ascendente del aire produce una mezcla de gotas de nubes súper enfriadas (pequeñas gotas de agua por debajo del punto de congelación), pequeños cristales de hielo y graupel (granizo suave). La corriente ascendente lleva hacia arriba las gotitas de nubes súper enfriadas y los cristales de hielo muy pequeños. Al mismo tiempo, el graupel, que es considerablemente más grande y denso, tiende a caer o quedar suspendido en el aire ascendente. [4]

(Figura 2) Cuando los cristales de hielo ascendentes chocan con el graupel, los cristales de hielo se cargan positivamente y el graupel se carga negativamente.

Las diferencias en el movimiento de la precipitación provocan que se produzcan colisiones. Cuando los cristales de hielo ascendentes chocan con el graupel, los cristales de hielo se cargan positivamente y el graupel se carga negativamente; vea la Figura 2. La corriente ascendente lleva los cristales de hielo cargados positivamente hacia arriba, hacia la parte superior de la nube de tormenta. El graupel más grande y denso está suspendido en medio de la nube de tormenta o cae hacia la parte inferior de la tormenta. [4]

La parte superior de la nube de tormenta se carga positivamente mientras que la parte media a la parte inferior de la nube de tormenta se carga negativamente.

El resultado es que la parte superior de la nube de tormenta se carga positivamente mientras que la parte media a la parte inferior de la nube de tormenta se carga negativamente. [4]

Los movimientos ascendentes dentro de la tormenta y los vientos en niveles más altos en la atmósfera tienden a hacer que los pequeños cristales de hielo (y la carga positiva) en la parte superior de la nube de tormenta se extiendan horizontalmente a cierta distancia de la base de la nube de tormenta. Esta parte de la nube de tormenta se llama yunque. Si bien este es el proceso de carga principal para la nube de tormenta, algunas de estas cargas pueden redistribuirse por los movimientos de aire dentro de la tormenta (corrientes ascendentes y descendentes). Además, hay una acumulación de carga positiva pequeña pero importante cerca del fondo de la nube de tormenta debido a la precipitación y las temperaturas más cálidas. [4]

Consideraciones generales [ editar ]

Reproducir medios
Video de cuatro segundos de un rayo, Island in the Sky, Parque Nacional Canyonlands , Utah , Estados Unidos.

El relámpago típico de nube a tierra culmina en la formación de un canal de plasma conductor de electricidad a través del aire de más de 5 km (3,1 millas) de altura, desde el interior de la nube hasta la superficie del suelo. La descarga real es la etapa final de un proceso muy complejo. [5] En su punto máximo, una tormenta eléctrica típica produce tres o más golpes a la Tierra por minuto. [6] Los rayos ocurren principalmente cuando el aire caliente se mezcla con masas de aire más frías, [7] resultando en las perturbaciones atmosféricas necesarias para polarizar la atmósfera. [ cita requerida ] Sin embargo, también puede ocurrir durante tormentas de polvo ,incendios forestales , tornados , erupciones volcánicas , e incluso en el frío del invierno, donde los relámpagos se conocen como tormentas de nieve . [8] [9] Los huracanes suelen generar algunos relámpagos, principalmente en las bandas de lluvia hasta 160 km (99 millas) del centro. [10] [11] [12]

La ciencia del rayo se llama fulminología y el miedo al rayo se llama astrafobia .

Distribución y frecuencia [ editar ]

Mapa mundial que muestra la frecuencia de los rayos, en destellos por km² por año (proyección de áreas iguales), a partir de datos combinados de 1995-2003 del detector óptico de transitorios y datos de 1998-2003 del sensor de imágenes de rayos.

Los rayos no se distribuyen uniformemente alrededor de la Tierra, como se muestra en el mapa.

En la Tierra, la frecuencia de los relámpagos es de aproximadamente 44 (± 5) veces por segundo, o casi 1.400 millones de destellos por año [13] y la duración promedio es de 0.2 segundos compuesta por un número de destellos mucho más cortos (golpes) de alrededor de 60 a 70 microsegundos . [14]

Muchos factores afectan la frecuencia, distribución, fuerza y ​​propiedades físicas de un relámpago típico en una región particular del mundo. Estos factores incluyen la elevación del suelo, la latitud , las corrientes de viento predominantes , la humedad relativa y la proximidad a cuerpos de agua cálidos y fríos. Hasta cierto punto, las proporciones de rayos intranube, de nube a nube y de nube a tierra también pueden variar según la temporada en latitudes medias .

Debido a que los seres humanos son terrestres y la mayoría de sus posesiones se encuentran en la Tierra, donde los rayos pueden dañarlos o destruirlos, los rayos CG son los más estudiados y mejor comprendidos de los tres tipos, aunque IC y CC son los tipos de rayos más comunes. La relativa imprevisibilidad del relámpago limita una explicación completa de cómo o por qué ocurre, incluso después de cientos de años de investigación científica. Aproximadamente el 70% de los rayos ocurren sobre la tierra en los trópicos [15], donde la convección atmosférica es mayor.

Esto ocurre tanto por la mezcla de masas de aire más cálidas y más frías , como por las diferencias en las concentraciones de humedad, y generalmente ocurre en los límites entre ellas . El flujo de corrientes oceánicas cálidas que atraviesan masas de tierra más secas, como la Corriente del Golfo , explica parcialmente la elevada frecuencia de los rayos en el sureste de los Estados Unidos . Debido a que los grandes cuerpos de agua carecen de la variación topográfica que daría lugar a la mezcla atmosférica, los rayos son notablemente menos frecuentes en los océanos del mundo que en la tierra. Los polos norte y sur tienen una cobertura limitada de tormentas eléctricas y, por lo tanto, resultan en áreas con la menor cantidad de rayos. [aclaración necesaria ]

En general, los relámpagos de nube a tierra (CG) representan solo el 25% del total de relámpagos en todo el mundo. Dado que la base de una tormenta eléctrica generalmente tiene carga negativa, aquí es donde se originan la mayoría de los rayos CG. Esta región se encuentra típicamente en la elevación donde se produce la congelación dentro de la nube. La congelación, combinada con las colisiones entre el hielo y el agua, parece ser una parte fundamental del proceso inicial de desarrollo y separación de la carga. Durante las colisiones impulsadas por el viento, los cristales de hielo tienden a desarrollar una carga positiva, mientras que una mezcla más pesada y fangosa de hielo y agua (llamada graupel ) desarrolla una carga negativa. Las corrientes ascendentes dentro de una nube de tormenta separan los cristales de hielo más ligeros del graupel más pesado, lo que hace que la región superior de la nube acumule un positivocarga espacial mientras que el nivel inferior acumula una carga espacial negativa.

Rayo en Belfort , Francia

Debido a que la carga concentrada dentro de la nube debe exceder las propiedades aislantes del aire, y esto aumenta proporcionalmente a la distancia entre la nube y el suelo, la proporción de impactos CG (versus nube a nube (CC) o en nube (IC ) descargas) aumenta cuando la nube está más cerca del suelo. En los trópicos, donde el nivel de congelación es generalmente más alto en la atmósfera, solo el 10% de los relámpagos son CG. En la latitud de Noruega (alrededor de 60 ° de latitud norte), donde la elevación de congelación es menor, el 50% de los rayos son CG. [16] [17]

Los relámpagos suelen ser producidos por nubes cumulonimbus , que tienen bases que suelen estar a 1 a 2 km (0,62 a 1,24 millas) sobre el suelo y alcanzan una altura de hasta 15 km (9,3 millas).

El lugar de la Tierra donde ocurren los rayos con mayor frecuencia es cerca de la pequeña aldea de Kifuka en las montañas del este de la República Democrática del Congo , [18] donde la elevación es de alrededor de 975 m (3200 pies). En promedio, esta región recibe 158 descargas de rayos por kilómetro cuadrado por año (410 / sq mi / año). [19] El lago de Maracaibo en Venezuela tiene un promedio de 297 días por año con actividad de rayos, un efecto reconocido como relámpago del Catatumbo . [20] Otros puntos calientes de rayos incluyen Singapur [21] y Lightning Alley en Florida Central .[22] [23]

Condiciones necesarias [ editar ]

Sonido de una tormenta

Para que ocurra una descarga electrostática , son necesarias dos condiciones previas: primero, debe existir una diferencia de potencial suficientemente alta entre dos regiones del espacio, y segundo, un medio de alta resistencia debe obstruir la ecualización libre y sin obstáculos de las cargas opuestas. La atmósfera proporciona el aislamiento eléctrico, o barrera, que evita la ecualización libre entre regiones cargadas de polaridad opuesta.

Es bien sabido que durante una tormenta hay separación y agregación de cargas en ciertas regiones de la nube; sin embargo, los procesos exactos por los cuales esto ocurre no se comprenden completamente. [24]

Generación de campo eléctrico [ editar ]

Vista de un rayo desde un avión que volaba por encima de un sistema.

A medida que una nube de tormenta se mueve sobre la superficie de la Tierra , se induce una carga eléctrica igual , pero de polaridad opuesta, en la superficie de la Tierra debajo de la nube. Esto se conoce como carga de imagen . La carga superficial positiva inducida, cuando se mide contra un punto fijo, será pequeña a medida que se acerque la nube de tormenta, aumentando a medida que llega el centro de la tormenta y disminuyendo a medida que pasa la nube de tormenta. El valor de referencia de la carga superficial inducida podría representarse aproximadamente como una curva de campana.

Las regiones con carga opuesta crean un campo eléctrico dentro del aire entre ellas. Este campo eléctrico varía en relación con la fuerza de la carga superficial en la base de la nube de tormenta: cuanto mayor es la carga acumulada, mayor es el campo eléctrico.

Destellos y huelgas [ editar ]

Ciertas estructuras prominentes a menudo atraen frecuentes descargas de rayos. La Torre CN en Toronto se golpea muchas veces cada verano.

La forma de relámpago mejor estudiada y entendida es el relámpago de nube a tierra (CG). Aunque son más comunes, los flashes intranube (IC) y de nube a nube (CC) son muy difíciles de estudiar dado que no hay puntos "físicos" para monitorear dentro de las nubes. Además, dada la muy baja probabilidad de que un rayo golpee el mismo punto repetida y constantemente, la investigación científica es difícil incluso en áreas de alta frecuencia CG.

Un rayo de nube a tierra en el desierto de Mojave , California
Un flash dentro de la nube. Un relámpago dentro de la nube ilumina toda la nube.

Líderes relámpago [ editar ]

Un líder descendente viaja hacia la tierra, ramificándose a medida que avanza.
Rayo causado por la conexión de dos líderes, el positivo se muestra en azul y el negativo en rojo.

En un proceso que no se comprende bien , se inicia un canal bidireccional de aire ionizado , llamado " líder ", entre regiones con carga opuesta en una nube de tormenta. Los líderes son canales eléctricamente conductores de gas ionizado que se propagan a través de regiones con una carga opuesta a la de la punta del líder, o son atraídas por ellas. El extremo negativo del líder bidireccional llena una región de carga positiva, también llamada pozo, dentro de la nube, mientras que el extremo positivo llena un pozo de carga negativa. Los líderes a menudo se dividen, formando ramas en forma de árbol. [25]Además, los líderes negativos y algunos positivos viajan de manera discontinua, en un proceso llamado "paso a paso". El movimiento espasmódico resultante de los líderes se puede observar fácilmente en videos en cámara lenta de relámpagos.

Es posible que un extremo del líder llene completamente el pozo cargado de manera opuesta mientras el otro extremo todavía está activo. Cuando esto sucede, el extremo principal que llenó el pozo puede propagarse fuera de la nube de tormenta y provocar un destello de nube a aire o un destello de nube a tierra. En un destello típico de nube a tierra, un líder bidireccional se inicia entre las principales regiones de carga negativa y positiva más baja en una nube de tormenta. La región de carga positiva más débil se llena rápidamente por el líder negativo que luego se propaga hacia el suelo cargado inductivamente.

Los líderes cargados positiva y negativamente avanzan en direcciones opuestas, positivas hacia arriba dentro de la nube y negativas hacia la tierra. Ambos canales iónicos proceden, en sus respectivas direcciones, en varios chorros sucesivos. Cada líder "agrupa" iones en las puntas principales, disparando a uno o más nuevos líderes, volviendo a agruparse momentáneamente para concentrar los iones cargados y luego disparando a otro líder. El líder negativo continúa propagándose y dividiéndose a medida que se dirige hacia abajo, a menudo acelerándose a medida que se acerca a la superficie de la Tierra.

Aproximadamente el 90% de las longitudes de los canales iónicos entre "piscinas" tienen aproximadamente 45 m (148 pies) de longitud. [26] El establecimiento del canal iónico lleva una cantidad de tiempo relativamente larga (cientos de milisegundos ) en comparación con la descarga resultante, que se produce en unas pocas docenas de microsegundos. La corriente eléctrica necesaria para establecer el canal, medida en decenas o cientos de amperios , se ve eclipsada por las corrientes posteriores durante la descarga real.

La iniciación del líder relámpago no se comprende bien. La intensidad del campo eléctrico dentro de la nube tormentosa no suele ser lo suficientemente grande como para iniciar este proceso por sí misma. [27] Se han propuesto muchas hipótesis. Una hipótesis postula que las lluvias de electrones relativistas son creadas por rayos cósmicos y luego se aceleran a velocidades más altas a través de un proceso llamado ruptura descontrolada . A medida que estos electrones relativistas chocan e ionizan moléculas de aire neutras, inician la formación de líderes. Otra hipótesis implica la formación de campos eléctricos localmente mejorados cerca de gotas de agua alargadas o cristales de hielo. [28] Teoría de la filtración , especialmente para el caso de filtración sesgada, [29] [aclaración necesaria ]describe fenómenos de conectividad aleatoria, que producen una evolución de estructuras conectadas similar a la de los rayos.

Serpentinas ascendentes [ editar ]

Cuando un líder escalonado se acerca al suelo, la presencia de cargas opuestas en el suelo aumenta la fuerza del campo eléctrico . El campo eléctrico es más fuerte en los objetos conectados a tierra cuyas copas están más cerca de la base de la nube de tormenta, como árboles y edificios altos. Si el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte, a partir de estos puntos se puede desarrollar un canal iónico con carga positiva, llamado serpentina positiva o ascendente . Esto fue teorizado por primera vez por Heinz Kasemir. [30] [31] [32]

A medida que se acercan los líderes cargados negativamente, aumentando la intensidad del campo eléctrico localizado, los objetos conectados a tierra que ya experimentan una descarga de corona superan un umbral y forman serpentinas ascendentes.

Adjunto [ editar ]

Una vez que un líder descendente se conecta a un líder ascendente disponible, se forma un proceso denominado unión, se forma una ruta de baja resistencia y puede ocurrir la descarga. Se han tomado fotografías en las que las serpentinas sueltas son claramente visibles. Los líderes descendentes sin ataduras también son visibles en los relámpagos ramificados, ninguno de los cuales está conectado a la tierra, aunque puede parecer que lo están. Los videos de alta velocidad pueden mostrar el proceso de archivo adjunto en curso. [33]

Descarga [ editar ]

Trazo de retorno [ editar ]

Fotografía de alta velocidad que muestra diferentes partes de un relámpago durante el proceso de descarga como se ve en Toulouse , Francia.

Una vez que un canal conductor cierra el espacio de aire entre el exceso de carga negativa en la nube y el exceso de carga superficial positiva debajo, hay una gran caída en la resistencia a través del canal del rayo. Los electrones se aceleran rápidamente como resultado en una zona que comienza en el punto de unión, que se expande por toda la red líder hasta un tercio de la velocidad de la luz. [34] Este es el "golpe de retorno" y es la parte más luminosa y notable de la descarga del rayo.

Una gran carga eléctrica fluye a lo largo del canal de plasma, desde la nube hasta el suelo, neutralizando la carga positiva del suelo a medida que los electrones fluyen desde el punto de impacto hacia el área circundante. Esta enorme oleada de corriente crea grandes diferencias de voltaje radial a lo largo de la superficie del suelo. Llamados potenciales de paso, [ cita requerida ] son responsables de más lesiones y muertes en grupos de personas o de otros animales que la huelga en sí. [35] La electricidad toma todos los caminos disponibles. [36] Estos potenciales escalonados a menudo fluyen a través de una pierna y salen por la otra, electrocutando a un humano o animal desafortunado que se encuentre cerca del punto donde cae el rayo.

La corriente eléctrica de la carrera de retorno tiene un promedio de 30 kiloamperios para un destello CG negativo típico, a menudo denominado rayo "CG negativo". En algunos casos, un relámpago de tierra a nube (GC) puede originarse en una región cargada positivamente en el suelo debajo de una tormenta. Estas descargas normalmente se originan en la parte superior de estructuras muy altas, como antenas de comunicaciones. Se ha encontrado que la velocidad a la que viaja la corriente de carrera de retorno es de alrededor de 100.000 km / s (un tercio de la velocidad de la luz). [37]

El flujo masivo de corriente eléctrica que ocurre durante la carrera de retorno combinado con la velocidad a la que ocurre (medida en microsegundos) sobrecalienta rápidamente el canal líder completado, formando un canal de plasma altamente conductor de electricidad. La temperatura central del plasma durante la carrera de retorno puede superar los 50.000 K, lo que hace que irradie un color blanco azulado brillante. Una vez que la corriente eléctrica deja de fluir, el canal se enfría y se disipa durante decenas o cientos de milisegundos, y a menudo desaparece como parches fragmentados de gas incandescente. El calentamiento casi instantáneo durante la carrera de retorno hace que el aire se expanda explosivamente, produciendo una poderosa onda de choque que se escucha como un trueno .

Volver a atacar [ editar ]

Los videos de alta velocidad (examinados cuadro por cuadro) muestran que la mayoría de los relámpagos CG negativos se componen de 3 o 4 golpes individuales, aunque puede haber hasta 30. [38]

Cada nuevo ataque está separado por una cantidad de tiempo relativamente grande, típicamente de 40 a 50 milisegundos, ya que otras regiones cargadas en la nube se descargan en golpes posteriores. Los golpes repetidos a menudo causan un efecto notable de " luz estroboscópica ". [39]

Para comprender por qué varios golpes de retorno utilizan el mismo canal de relámpagos, es necesario comprender el comportamiento de los líderes positivos, en el que un destello de tierra típico se convierte efectivamente siguiendo la conexión del líder negativo con el suelo. Los líderes positivos decaen más rápidamente que los líderes negativos. Por razones que no se comprenden bien, los líderes bidireccionales tienden a iniciar en las puntas de los líderes positivos decaídos en los que el extremo negativo intenta re-ionizar la red de líderes. Estos líderes, también llamados líderes de retroceso , generalmente decaen poco después de su formación. Cuando logran hacer contacto con una parte conductora de la red principal del líder, se produce un proceso similar al de un golpe de retorno y un líder de dardosrecorre todo o una parte de la longitud del líder original. Los líderes de dardos que hacen conexiones con el suelo son los que causan la mayoría de los golpes de retorno posteriores. [40]

Cada golpe sucesivo está precedido por golpes intermedios del líder de dardos que tienen un tiempo de subida más rápido pero una amplitud menor que el golpe de retorno inicial. Cada golpe subsiguiente usualmente reutiliza el canal de descarga tomado por el anterior, pero el canal puede desviarse de su posición anterior cuando el viento desplaza el canal caliente. [41]

Dado que los procesos de retroceso y de dardos no ocurren en los líderes negativos, los golpes de retorno posteriores rara vez utilizan el mismo canal en los destellos de tierra positivos que se explican más adelante en el artículo. [40]

Corrientes transitorias durante el flash [ editar ]

La corriente eléctrica dentro de una descarga de rayos CG negativa típica se eleva muy rápidamente a su valor máximo en 1–10 microsegundos, luego decae más lentamente en 50–200 microsegundos. La naturaleza transitoria de la corriente dentro de un rayo da como resultado varios fenómenos que deben abordarse en la protección efectiva de las estructuras terrestres. Las corrientes que cambian rápidamente tienden a viajar sobre la superficie de un conductor, en lo que se llama efecto piel , a diferencia de las corrientes directas, que "fluyen" por todo el conductor como el agua a través de una manguera. Por lo tanto, los conductores utilizados en la protección de instalaciones tienden a ser de varios hilos, con pequeños alambres tejidos entre sí. Esto aumenta el área de superficie total del paquete en proporción inversa al radio de cada filamento, para un total fijoárea de la sección transversal .

Las corrientes que cambian rápidamente también crean pulsos electromagnéticos (EMP) que irradian hacia afuera desde el canal iónico. Ésta es una característica de todas las descargas eléctricas. Los pulsos irradiados se debilitan rápidamente a medida que aumenta su distancia del origen. Sin embargo, si pasan sobre elementos conductores como líneas eléctricas, líneas de comunicación o tuberías metálicas, pueden inducir una corriente que viaja hacia afuera hasta su terminación. La sobrecorriente está inversamente relacionada con la impedancia de sobretensión: cuanto mayor es la impedancia, menor es la corriente. [42] Este es el aumento que, en la mayoría de los casos, resulta en la destrucción de dispositivos electrónicos delicados , electrodomésticos o motores eléctricos.. Los dispositivos conocidos como protectores de sobrevoltaje (SPD) o supresores de sobrevoltaje transitorio (TVSS) conectados en paralelo con estas líneas pueden detectar la corriente irregular transitoria del rayo y, a través de la alteración de sus propiedades físicas, enrutar el pico a una toma de tierra adjunta , por lo tanto protegiendo el equipo de daños.

Tipos [ editar ]

Los tres tipos principales de rayos se definen por los puntos de "inicio" y "finalización" de un canal de destello.

  • Los rayos dentro de la nube (IC) o en la nube ocurren dentro de una sola unidad de nube de tormenta.
  • Los relámpagos de nube a nube (CC) o entre nubes comienzan y terminan entre dos unidades de nube de tormenta "funcionales" diferentes.
  • Los rayos de nube a tierra (CG) se originan principalmente en la nube de tormenta y terminan en la superficie de la Tierra, pero también pueden ocurrir en la dirección inversa, es decir, de tierra a nube.

Hay variaciones de cada tipo, como flashes CG "positivos" versus "negativos", que tienen diferentes características físicas comunes a cada uno que se pueden medir. Los diferentes nombres comunes utilizados para describir un rayo en particular pueden atribuirse al mismo oa diferentes eventos.

Nube a tierra (CG) [ editar ]

Rayo de nube a tierra

El rayo de nube a tierra (CG) es una descarga de rayo entre una nube de tormenta y el suelo. Se inicia con un líder escalonado que desciende de la nube, que se encuentra con una serpentina que sube desde el suelo.

CG es el menos común, pero mejor entendido de todos los tipos de rayos. Es más fácil de estudiar científicamente porque termina en un objeto físico, a saber, la Tierra, y se presta a ser medido por instrumentos en el suelo. De los tres tipos principales de rayos, representa la mayor amenaza para la vida y la propiedad desde que termina o "golpea" la Tierra.

La descarga general, denominada relámpago, se compone de una serie de procesos, como la ruptura preliminar, los líderes escalonados, los líderes de conexión, los golpes de retorno, los líderes de dardos y los golpes de retorno posteriores. [43] La conductividad del suelo, ya sea del suelo, agua dulce o agua salada, puede afectar la velocidad de descarga de los rayos y, por lo tanto, las características visibles. [44]

Rayo positivo y negativo [ editar ]

Los rayos de nube a tierra (CG) son positivos o negativos, según lo definido por la dirección de la corriente eléctrica convencional entre la nube y la tierra. La mayoría de los rayos CG son negativos, lo que significa que se transfiere una carga negativa al suelo y los electrones viajan hacia abajo a lo largo del canal del rayo (convencionalmente, la corriente fluye desde el suelo a la nube). Lo contrario ocurre en un destello CG positivo, donde los electrones viajan hacia arriba a lo largo del canal del rayo y una carga positiva se transfiere al suelo (convencionalmente, la corriente fluye desde la nube al suelo). Los relámpagos positivos son menos comunes que los negativos y, en promedio, representan menos del 5% de todos los rayos. [45]

Un rayo del rayo azul que parece iniciarse desde el cielo despejado, pero el turbulento cielo sobre la nube del yunque y conduce un rayo de plasma a través de la nube directamente al suelo. Suelen denominarse destellos positivos, a pesar de que suelen tener una polaridad negativa.

Hay seis mecanismos diferentes teorizados para dar como resultado la formación de rayos positivos. [46]

  • La cizalladura vertical del viento desplaza la región de carga positiva superior de una nube de tormenta, exponiéndola al suelo debajo.
  • La pérdida de regiones de carga más baja en la etapa de disipación de una tormenta, dejando la región de carga positiva primaria.
  • Una disposición compleja de regiones de carga en una nube tormentosa, que efectivamente da como resultado un dipolo invertido o un tripole invertido en el que la región de carga negativa principal está por encima de la región de carga positiva principal en lugar de debajo de ella.
  • Una región de carga positiva inferior inusualmente grande en la nube de tormenta.
  • Corte de un líder negativo extendido desde su origen que crea un nuevo líder bidireccional en el que el extremo positivo golpea el suelo, lo que se ve comúnmente en los destellos de araña rastreadora de yunque.
  • El inicio de una rama positiva hacia abajo de un relámpago IC.

Contrariamente a la creencia popular, los relámpagos positivos no se originan necesariamente en el yunque o en la región de carga positiva superior y golpean un área sin lluvia fuera de la tormenta. Esta creencia se basa en la idea obsoleta de que los líderes relámpago son unipolares y se originan en su respectiva región de carga. [47]

Los rayos positivos tienden a ser mucho más intensos que sus contrapartes negativas. Un relámpago negativo promedio lleva una corriente eléctrica de 30.000 amperios (30 kA) y transfiere 15 culombios de carga eléctrica y 1 gigajulio de energía . Los grandes relámpagos positivos pueden transportar hasta 120 kA y 350 C. [48] El destello de tierra positivo promedio tiene aproximadamente el doble de la corriente máxima de un destello negativo típico, y puede producir corrientes máximas de hasta 400 kA y cargas de varios cientos de culombios. . [49] [50]Además, los destellos de tierra positivos con corrientes máximas altas suelen ir seguidos de corrientes prolongadas y continuas, una correlación que no se observa en los destellos de tierra negativos. [51]

Como resultado de su mayor poder, los rayos positivos son considerablemente más peligrosos que los negativos. Los rayos positivos producen tanto corrientes máximas más altas como corrientes continuas más largas, lo que las hace capaces de calentar superficies a niveles mucho más altos, lo que aumenta la probabilidad de que se encienda un incendio. Las largas distancias que los rayos positivos pueden propagarse a través del aire puro explican por qué se les conoce como "rayos del azul", sin advertir a los observadores.

A pesar de la idea errónea de que estos [ aclaraciones necesarias ] son relámpagos positivos debido a que aparentemente se originan en la región de carga positiva, las observaciones han demostrado que se trata de destellos negativos. Comienzan cuando IC parpadea dentro de la nube, el líder negativo luego sale de la nube de la región de carga positiva antes de propagarse a través del aire limpio y golpear el suelo a cierta distancia. [52] [53]

También se ha demostrado que los relámpagos positivos desencadenan la aparición de relámpagos ascendentes desde la parte superior de las estructuras altas y son en gran parte responsables del inicio de los sprites a varias decenas de kilómetros sobre el nivel del suelo. Los relámpagos positivos tienden a ocurrir con más frecuencia en las tormentas de invierno , como ocurre con las tormentas de nieve , durante los tornados intensos [54] y en la etapa de disipación de una tormenta eléctrica . [55] También se generan enormes cantidades de ondas de radio de frecuencia extremadamente baja (ELF) y muy baja frecuencia (VLF) . [56]

De nube a nube (CC) e intranube (IC) [ editar ]

Ramificación de nube a nube relámpago, Nueva Delhi , India
Múltiples trayectorias de relámpagos de nube a nube, Swifts Creek , Australia.
Rayo de nube a nube, Victoria, Australia .
Rayo de nube a nube visto en Gresham, Oregon .

Pueden ocurrir descargas de rayos entre áreas de nubes sin tocar el suelo. Cuando ocurre entre dos nubes separadas, se conoce como relámpago de nube a nube (CC) o entre nubes ; cuando se produce entre las zonas de diferente potencial eléctrico dentro de una sola nube, que se conoce como intra-nube relámpago (IC). El relámpago IC es el tipo que ocurre con más frecuencia. [55]

Los relámpagos IC ocurren con mayor frecuencia entre la parte superior del yunque y los tramos inferiores de una tormenta eléctrica determinada. Este rayo a veces se puede observar a grandes distancias durante la noche como los llamados " rayos de hoja ". En tales casos, el observador puede ver solo un destello de luz sin escuchar ningún trueno.

Anvil Crawler sobre el lago Wright Patman al sur de Redwater, Texas, en la parte trasera de una gran área de lluvia asociada con un frente frío

Otro término utilizado para los relámpagos nube-nube o nube-nube-tierra es "Anvil Crawler", debido al hábito de la carga, que generalmente se origina debajo o dentro del yunque y se desplaza a través de las capas superiores de nubes de una tormenta eléctrica, lo que a menudo genera dramáticas ramas múltiples. trazos. Por lo general, se ven cuando una tormenta pasa sobre el observador o comienza a decaer. El comportamiento de orugas más vívido ocurre en tormentas eléctricas bien desarrolladas que presentan un extenso cizallamiento del yunque trasero.

Variaciones observacionales [ editar ]

  • Rayo rastreador de yunque , a veces llamado rayo arañase crea cuando los líderes se propagan a través de regiones de carga horizontalmente extensas en tormentas eléctricas maduras, generalmente las regiones estratiformes de los sistemas convectivos de mesoescala. Estas descargas generalmente comienzan como descargas de CI que se originan dentro de la región convectiva; el extremo líder negativo luego se propaga bien en las regiones de carga mencionadas anteriormente en el área estratiforme. Si el líder se alarga demasiado, puede separarse en varios líderes bidireccionales. Cuando esto sucede, el extremo positivo del líder separado puede golpear el suelo como un flash CG positivo o arrastrarse por la parte inferior de la nube, creando una exhibición espectacular de relámpagos arrastrándose por el cielo. Los destellos de tierra producidos de esta manera tienden a transferir grandes cantidades de carga, y esto puede desencadenar relámpagos ascendentes y relámpagos en la atmósfera superior. [40]
  • Los relámpagos en forma de bola pueden ser unfenómeno eléctrico atmosférico , cuya naturaleza física aún es controvertida . El término se refiere a informes deobjetos luminosos , generalmente esféricos , que varían desde el tamaño de un guisante hasta varios metros de diámetro. [57] A veces se asocia con tormentas eléctricas , pero a diferencia de los relámpagos, que duran solo una fracción de segundo, los relámpagos en forma de bola duran muchos segundos. Los relámpagos en forma de bola han sido descritos por testigos presenciales, pero raramente registrados por meteorólogos . [58] [59]Los datos científicos sobre los rayos de bolas naturales son escasos debido a su poca frecuencia e imprevisibilidad. La presunción de su existencia se basa en avistamientos públicos informados y, por lo tanto, ha producido hallazgos algo inconsistentes. Brett Porter, [60] un guardabosques, informó que tomó una foto en Queensland, Australia en 1987.

  • El relámpago de cuentas , también conocido con los términos relámpago perlado, relámpago en cadena, perlschnurblitz y eclair en chapelet, por nombrar algunos [61], es la etapa de descomposición de un canal de rayos en el que la luminosidad del canal se divide en segmentos. [62] Casi todas las descargas de relámpagos mostrarán gotas cuando el canal se enfríe inmediatamente después de un golpe de retorno, lo que a veces se conoce como la etapa de "caída de gotas" del relámpago. El 'relámpago de cuentas' es más propiamente una etapa de una descarga de relámpago normal que un tipo de relámpago en sí mismo. El reborde de un canal de rayos suele ser una característica a pequeña escala y, por lo tanto, a menudo solo es aparente cuando el observador / cámara está cerca del rayo. [63]
  • El relámpago nube-aire es un relámpago en el que un extremo de un líder bidireccional sale de la nube, pero no resulta en un relámpago en el suelo. A veces, estos destellos pueden considerarse como destellos de tierra fallidos. Los chorros azules y los chorros gigantes son una forma de relámpago de nube a aire o de nube a ionosfera donde se lanza un líder desde lo alto de una tormenta.
  • Los rayos secos se utilizan en Australia, Canadá y Estados Unidos para los rayos que ocurren sin precipitación en la superficie. Este tipo de rayo es la causa natural más común de incendios forestales . [64] Las nubes de pirocumulus producen rayos por la misma razón que los producen las nubes cumulonimbus [ cita requerida ] .

  • El rayo bifurcado es un rayo de nube a tierra que exhibe ramificaciones en su camino.
  • El rayo de calor es un relámpago que parece no producir un trueno discernibleporque ocurre demasiado lejos para que se escuche el trueno. Las ondas sonoras se disipan antes de llegar al observador. [sesenta y cinco]

  • Los relámpagos de cinta ocurren en tormentas eléctricas con fuertes vientos cruzados y múltiples golpes de retorno. El viento soplará cada golpe de retorno sucesivo ligeramente hacia un lado del golpe de retorno anterior, provocando un efecto de cinta. [66]

  • El rayo cohete es una forma de descarga de nubes, generalmente horizontal y en la base de las nubes, con un canal luminoso que parece avanzar a través del aire con una velocidad que se puede resolver visualmente, a menudo de forma intermitente. [67]

  • El rayo de hoja es un rayo de nube a nube que exhibe un brillo difuso de la superficie de una nube, causado porque la ruta de descarga real está oculta o demasiado lejos. El relámpago en sí no puede ser visto por el espectador, por lo que aparece solo como un destello o una hoja de luz. El rayo puede estar demasiado lejos para discernir destellos individuales.

  • Rayo de canal suavees un término informal que se refiere a un tipo de rayo de nube a tierra que no tiene ramificaciones visibles y aparece como una línea con curvas suaves en oposición a la apariencia irregular de la mayoría de los canales de rayos. Son una forma de relámpago positivo generalmente observado en o cerca de las regiones convectivas de tormentas eléctricas severas en el centro norte de los Estados Unidos. Se teoriza que las tormentas eléctricas severas en esta región obtienen una estructura de carga de "tripolo invertido" en la que la región de carga positiva principal se encuentra debajo de la región de carga negativa principal en lugar de por encima de ella, y como resultado estas tormentas generan predominantemente una nube a positiva positiva relámpago de tierra. El término "relámpago de canal suave" también se atribuye a veces a relámpagos ascendentes de tierra a nube,que generalmente son destellos negativos iniciados por líderes positivos ascendentes de estructuras altas.

  • El rayo Staccato es un rayo de nube a tierra (CG) que es un golpe de corta duración que (a menudo, pero no siempre) aparece como un solo destello muy brillante y, a menudo, tiene una ramificación considerable. [68] Estos se encuentran a menudo en el área de la bóveda visual cerca del mesociclón de las tormentas eléctricas rotativas y coinciden con la intensificación de las corrientes ascendentes de las tormentas eléctricas . Un impacto similar de nube a nube que consiste en un breve destello sobre un área pequeña, que aparece como una señal, también ocurre en un área similar de corrientes ascendentes giratorias. [69]
Este CG fue de muy corta duración, exhibió canales muy ramificados y era muy brillante, lo que indica que era un rayo entrecortado cerca de New Boston, Texas.

  • Los superbolts se definen de manera bastante vaga como impactos con una fuente de energía de más de 100 gigajulios [100 GJ] (la mayoría de los rayos llegan alrededor de 1 gigajulio [1 GJ]). Eventos de esta magnitud ocurren con tanta frecuencia como uno de cada 240 ataques. No son categóricamente distintos de los rayos ordinarios y simplemente representan el borde superior de un continuo. Contrariamente a la idea errónea popular, los superbolts pueden tener carga positiva o negativa, y la relación de carga es comparable a la de un rayo "ordinario". [70] [71] [72]

  • El relámpago simpático es la tendencia de los relámpagos a coordinarse libremente a través de largas distancias. Las descargas pueden aparecer en grupos cuando se ven desde el espacio. [73] [74] [75] [ aclaración necesaria ]
  • El relámpago ascendente o el relámpago de tierra a nube es un relámpago que se origina en la parte superior de un objeto conectado a tierra y se propaga hacia arriba desde este punto. Este tipo de rayo puede ser provocado por un rayo precedente, o puede iniciarse completamente por sí solo. El primero se encuentra generalmente en regiones donde ocurren rayos de araña y puede involucrar múltiples objetos conectados a tierra simultáneamente. [76] Este último suele ocurrir durante la estación fría y puede ser el tipo de rayo dominante en los eventos de tormentas y nevadas. [77]

  • El rayo de aire despejado describe un rayo que ocurre sin una nube aparente lo suficientemente cerca como para haberlo producido. En las Montañas Rocosas de EE. UU. Y Canadá , una tormenta eléctrica puede estar en un valle adyacente y no ser observable desde el valle donde cae el rayo, ya sea visual o audiblemente. Las áreas montañosas europeas y asiáticas experimentan eventos similares. También en áreas tales como sonidos , grandes lagos o llanuras abiertas, cuando la celda de tormenta está en el horizonte cercano (dentro de 26 km o 16 millas) puede haber alguna actividad distante, puede ocurrir una huelga y como la tormenta está muy lejos, el golpe se conoce como un rayo caído del cielo . [78]Estos destellos generalmente comienzan como destellos de relámpago IC normales antes de que el líder negativo salga de la nube y golpee el suelo a una distancia considerable. [52] [53] Los golpes positivos de aire despejado pueden ocurrir en ambientes altamente cizallados donde la región de carga positiva superior se desplaza horizontalmente del área de precipitación. [79]

Efectos [ editar ]

Rayo [ editar ]

Efectos sobre los objetos [ editar ]

Un rayo cayó sobre la Torre Eiffel el 3 de junio de 1902, a las 21:20. Esta es una de las primeras fotografías de rayos en un entorno urbano.

Los objetos alcanzados por un rayo experimentan calor y fuerzas magnéticas de gran magnitud. El calor creado por las corrientes de rayos que viajan a través de un árbol puede vaporizar su savia, provocando una explosión de vapor que revienta el tronco. A medida que los rayos viajan a través del suelo arenoso, el suelo que rodea el canal de plasma puede derretirse, formando estructuras tubulares llamadas fulguritas .

Efectos en edificios y vehículos [ editar ]

Los edificios o estructuras altas alcanzadas por un rayo pueden resultar dañados a medida que el rayo busca caminos sin obstáculos hacia el suelo. Al realizar de manera segura un rayo a tierra, un sistema de protección contra rayos, que generalmente incorpora al menos un pararrayos , puede reducir en gran medida la probabilidad de daños severos a la propiedad.

Las aeronaves son muy susceptibles de ser golpeadas debido a sus fuselajes metálicos, pero los rayos generalmente no son peligrosos para ellos. [80] Debido a las propiedades conductoras de la aleación de aluminio , el fuselaje actúa como una jaula de Faraday .

Efectos sobre los animales [ editar ]

Aunque el 90 por ciento de las personas alcanzadas por un rayo sobreviven, [81] los animales, incluidos los humanos, pueden sufrir lesiones graves debido a daños en los órganos internos y el sistema nervioso.

Otros efectos [ editar ]

Los rayos tienen un papel importante en el ciclo del nitrógeno al oxidar el nitrógeno diatómico en el aire en nitratos que son depositados por la lluvia y pueden fertilizar el crecimiento de plantas y otros organismos. [82] [83]

Trueno [ editar ]

Debido a que la descarga electrostática de los relámpagos terrestres sobrecalienta el aire a temperaturas de plasma a lo largo del canal de descarga en un período corto, la teoría cinética dicta que las moléculas gaseosas experimentan un rápido aumento de presión y, por lo tanto, se expanden hacia afuera desde el relámpago creando una onda de choque audible como un trueno. . Dado que las ondas sonoras no se propagan desde una fuente puntual única sino a lo largo de la trayectoria del rayo, las distancias variables del origen del sonido desde el observador pueden generar un efecto de balanceo o retumbar. La percepción de las características sónicas se complica aún más por factores como la geometría irregular y posiblemente ramificada del canal del rayo, por eco acústicodel terreno, y por la característica generalmente de golpes múltiples del rayo.

La luz viaja a aproximadamente 300,000,000 m / s (980,000,000 pies / s) y el sonido viaja a través del aire a aproximadamente 343 m / s (1,130 pies / s). Un observador puede aproximar la distancia al impacto midiendo el intervalo entre el rayo visible y el trueno audible que genera. Un relámpago que preceda a su trueno por un segundo tendría aproximadamente 343 m (1,125 pies) de distancia; un retraso de tres segundos indicaría una distancia de aproximadamente 1 km o 0,62 mi (3 × 343 m). Un destello de cinco segundos antes de un trueno indicaría una distancia de aproximadamente 1,7 km o 1,1 mi (5 × 343 m). En consecuencia, un rayo observado a una distancia muy cercana será acompañado por un trueno repentino, casi sin lapso de tiempo perceptible, posiblemente acompañado por el olor a ozono (O3 ).

Los relámpagos a una distancia suficiente pueden verse y no escucharse; Hay datos de que se puede ver una tormenta eléctrica a más de 160 km (100 millas) mientras que el trueno viaja a unos 32 km (20 millas). Como anécdota, hay muchos ejemplos de personas que dicen 'la tormenta estaba directamente sobre nuestras cabezas o por todas partes y, sin embargo, no hubo truenos'. Dado que las nubes de tormenta pueden tener una altura de hasta 20 km, [84] los relámpagos que ocurren en lo alto de la nube pueden parecer cercanos, pero en realidad están demasiado lejos para producir un trueno perceptible.

Radiación de alta energía [ editar ]

La producción de rayos X por un rayo se predijo teóricamente ya en 1925, [85] pero no se encontró evidencia hasta 2001/2002, [86] [87] [88] cuando investigadores del Instituto de Minería de Nuevo México and Technology detectó emisiones de rayos X de un rayo inducido a lo largo de un cable conectado a tierra que se arrastraba detrás de un cohete disparado hacia una nube de tormenta. En el mismo año University of Florida y Florida TechLos investigadores utilizaron una serie de detectores de campo eléctrico y rayos X en una instalación de investigación de rayos en el norte de Florida para confirmar que los rayos naturales producen rayos X en grandes cantidades durante la propagación de líderes escalonados. La causa de las emisiones de rayos X sigue siendo un tema de investigación, ya que la temperatura de los rayos es demasiado baja para tener en cuenta los rayos X observados. [89] [90]

Varias observaciones realizadas con telescopios espaciales han revelado emisiones de rayos gamma de energía aún mayor , los llamados destellos de rayos gamma terrestres (TGF). Estas observaciones plantean un desafío a las teorías actuales sobre los rayos, especialmente con el reciente descubrimiento de las firmas claras de antimateria producidas en los rayos. [91] Investigaciones recientes han demostrado que las especies secundarias, producidas por estos TGF, como electrones , positrones , neutrones o protones , pueden ganar energías de hasta varias decenas de MeV. [92] [93]

Calidad del aire [ editar ]

Las altísimas temperaturas generadas por los rayos provocan importantes aumentos locales de ozono y óxidos de nitrógeno . Cada rayo en áreas templadas y subtropicales produce un promedio de 7 kg de NOx. [94] En la troposfera, el efecto de los rayos puede aumentar el NOx en un 90% y el ozono en un 30%. [95]

Volcánico [ editar ]

El material volcánico lanzado hacia la atmósfera puede provocar rayos.

La actividad volcánica produce condiciones favorables a los rayos de múltiples formas. La enorme cantidad de material pulverizado y gases expulsados ​​explosivamente a la atmósfera crea una densa columna de partículas. La densidad de cenizas y el movimiento constante dentro de la columna volcánica producen cargas por interacciones de fricción (triboelectrificación), lo que resulta en destellos muy potentes y muy frecuentes cuando la nube intenta neutralizarse. Debido al extenso contenido de material sólido (cenizas), a diferencia de las zonas de generación de cargas ricas en agua de una nube tormentosa normal, a menudo se le llama tormenta sucia .

  • Se han presenciado destellos poderosos y frecuentes en la columna volcánica desde la erupción del Vesubio en el 79 d.C. por Plinio el Joven . [96]
  • Asimismo, los vapores y las cenizas que se originan en los respiraderos de los flancos del volcán pueden producir destellos más pequeños y localizados a más de 2,9 km de longitud.
  • Chispas pequeñas y de corta duración , documentadas recientemente cerca del magma recién extruido, atestiguan que el material está muy cargado antes incluso de entrar en la atmósfera. [97]

Si la columna de ceniza volcánica se eleva a temperaturas bajo cero, las partículas de hielo se forman y chocan con las partículas de ceniza para provocar la electrificación. Los rayos se pueden detectar en cualquier explosión, pero la causa de la electrificación adicional de las partículas de hielo en las cenizas puede conducir a un campo eléctrico más fuerte y una mayor tasa de rayos detectables. Los rayos también se utilizan como una herramienta de monitoreo de volcanes para detectar erupciones peligrosas. [98]

Rayo de fuego [ editar ]

Los incendios forestales intensos, como los observados en la temporada de incendios forestales de Australia 2019-2020 , pueden crear sus propios sistemas meteorológicos que pueden producir rayos y otros fenómenos meteorológicos. [99] El calor intenso de un incendio hace que el aire se eleve rápidamente dentro de la columna de humo, provocando la formación de nubes de pirocumulonimbos . Este aire turbulento y ascendente aspira aire más frío, lo que ayuda a enfriar la columna. La columna ascendente se enfría aún más por la presión atmosférica más baja a gran altitud, lo que permite que la humedad se condense en nubes. Las nubes de Pyrocumulonimbus se forman en una atmósfera inestable. Estos sistemas climáticos pueden producir rayos secos, tornados de fuego , vientos intensos y granizo sucio. [99]

Extraterrestre [ editar ]

Se han observado relámpagos en las atmósferas de otros planetas , como Júpiter y Saturno . Aunque son minoría en la Tierra, los superbolts parecen ser comunes en Júpiter.

Los relámpagos en Venus han sido un tema controvertido después de décadas de estudio. Durante las misiones soviéticas Venera y US Pioneer de las décadas de 1970 y 1980, se detectaron señales que sugerían la presencia de relámpagos en la atmósfera superior. [100] Aunque la misión Cassini-Huygens sobrevolando Venus en 1999 no detectó señales de relámpagos, la ventana de observación duró apenas unas horas. Los pulsos de radio registrados por la nave espacial Venus Express (que comenzó a orbitar Venus en abril de 2006) pueden tener su origen en un rayo en Venus.

Fenómenos relacionados con los seres humanos [ editar ]

  • También se ha observado que las estelas de los aviones influyen en los rayos en un pequeño grado. Las estelas de vapor de agua densas de los aviones pueden proporcionar una ruta de menor resistencia a través de la atmósfera que tiene alguna influencia sobre el establecimiento de una ruta iónica para que siga un relámpago. [101]
  • Las columnas de escape del cohete proporcionaron un camino para los rayos cuando se vio golpear el cohete Apolo 12 poco después del despegue.
  • Se han visto explosiones termonucleares , al proporcionar material adicional para la conducción eléctrica y una atmósfera localizada muy turbulenta, desencadenando relámpagos dentro de la nube en forma de hongo. Además, la intensa radiación gamma de grandes explosiones nucleares puede desarrollar regiones intensamente cargadas en el aire circundante a través de la dispersión de Compton . Las regiones de carga espacial intensamente cargadas crean múltiples descargas de rayos en el aire despejado poco después de que el dispositivo detona. [102]

Estudio científico [ editar ]

Propiedades [ editar ]

El trueno se escucha como un retumbar rodante que se disipa gradualmente porque el sonido de diferentes partes de un golpe largo llega en momentos ligeramente diferentes. [103]

Cuando el campo eléctrico local excede la rigidez dieléctrica del aire húmedo (alrededor de 3 megavoltios por metro), la descarga eléctrica da como resultado un golpe , seguido a menudo por descargas correspondientes que se ramifican desde el mismo camino. Los mecanismos que hacen que las cargas se acumulen hasta convertirse en relámpagos son todavía una cuestión de investigación científica. [104] [105] Un estudio de 2016 [ verificación de la fecha necesaria ] confirmó que se trata de una avería dieléctrica. [106] Los rayos pueden ser causados ​​por la circulación de aire caliente lleno de humedad a través de campos eléctricos . [107] Las partículas de hielo o agua acumulan carga como en un generador Van de Graaff.. [108]

Investigadores de la Universidad de Florida encontraron que las velocidades unidimensionales finales de 10 destellos observados estaban entre 1.0 × 10 5 y 1.4 × 10 6 m / s, con un promedio de 4.4 × 10 5 m / s. [109]

Detección y seguimiento [ editar ]

Contador de rayos en un museo

El primer detector inventado para advertir de la proximidad de una tormenta eléctrica fue la campana de relámpagos . Benjamin Franklin instaló uno de esos dispositivos en su casa. [110] [111] El detector se basó en un dispositivo electrostático llamado "campanillas eléctricas" inventado por Andrew Gordon en 1742.

Las descargas de rayos generan una amplia gama de radiaciones electromagnéticas, incluidos pulsos de radiofrecuencia. Los tiempos en los que un pulso de una determinada descarga de rayo llega a varios receptores se pueden utilizar para localizar la fuente de la descarga con una precisión del orden de los metros. El gobierno federal de los Estados Unidos ha construido una red nacional de tales detectores de rayos, lo que permite rastrear las descargas de rayos en tiempo real en todo el territorio continental de los Estados Unidos [112] [113] Además, un sistema de detección global privado que consta de más de 500 estaciones de detección de propiedad y operado por aficionados / voluntarios proporciona mapas de rayos casi en tiempo real en blitzortung.org

La guía de ondas de la Tierra-ionosfera atrapa las ondas electromagnéticas VLF y ELF . Los pulsos electromagnéticos transmitidos por rayos se propagan dentro de esa guía de ondas. La guía de ondas es dispersiva, lo que significa que la velocidad de su grupo depende de la frecuencia. La diferencia del tiempo de retardo de grupo de un impulso de rayo en frecuencias adyacentes es proporcional a la distancia entre el transmisor y el receptor. Junto con los métodos de radiogoniometría, esto permite localizar descargas de rayos hasta distancias de 10.000 km desde su origen. Además, las frecuencias propias de la guía de ondas ionosférica de la Tierra, las resonancias de Schumann a aproximadamente 7,5 Hz, se utilizan para determinar la actividad global de las tormentas. [114]

Además de la detección de rayos desde tierra, se han construido varios instrumentos a bordo de los satélites para observar la distribución de los rayos. Estos incluyen el Detector Óptico Transitorio (OTD), a bordo del satélite OrbView-1 lanzado el 3 de abril de 1995, y el subsiguiente Sensor de Imágenes Lightning (LIS) a bordo del TRMM lanzado el 28 de noviembre de 1997. [115] [116] [117]

A partir de 2016, la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica lanzó satélites meteorológicos de la Serie R de Satélites Ambientales Operacionales Geoestacionarios (GOES-R) equipados con instrumentos Geoostationary Lightning Mapper (GLM) que son detectores transitorios ópticos de infrarrojo cercano que pueden detectar los cambios momentáneos en un escena óptica, que indica la presencia de un rayo. [118] [119] Los datos de detección de iluminación se pueden convertir en un mapa en tiempo real de la actividad de los rayos en el hemisferio occidental; esta técnica de mapeo ha sido implementada por el Servicio Meteorológico Nacional de los Estados Unidos . [120]

Activado artificialmente [ editar ]

  • Los rayos disparados por cohetes se pueden "disparar" lanzando cohetes especialmente diseñados que arrastran bobinas de alambre hacia las tormentas eléctricas. El cable se desenrolla a medida que el cohete asciende, creando un terreno elevado que puede atraer líderes descendentes. Si un líder se une, el cable proporciona una vía de baja resistencia para que ocurra un relámpago. El cable es vaporizado por el flujo de corriente de retorno, creando un canal de plasma de relámpago recto en su lugar. Este método permite que la investigación científica de los rayos ocurra de una manera más controlada y predecible. [121]
    El Centro Internacional de Investigación y Pruebas de Rayos (ICLRT) en Camp Blanding, Florida, generalmente usa rayos disparados por cohetes en sus estudios de investigación.
  • Activado por láser
    Desde la década de 1970, [122] los investigadores han intentado desencadenar rayos por medio de láseres infrarrojos o ultravioleta, que crean un canal de gas ionizado a través del cual el rayo sería conducido a tierra. Tal disparo de rayos está destinado a proteger las plataformas de lanzamiento de cohetes, las instalaciones de energía eléctrica y otros objetivos sensibles. [123] [124] [125] [126] [127]
    En Nuevo México, EE. UU., Los científicos probaron un nuevo láser de teravatios que provocó un rayo. Los científicos dispararon pulsos ultrarrápidos de un láser extremadamente poderoso, enviando así varios teravatios a las nubes para provocar descargas eléctricas en las nubes de tormenta sobre la región. Los rayos láser enviados desde el láser crean canales de moléculas ionizadas conocidas como filamentos.. Antes de que el rayo caiga sobre la tierra, los filamentos conducen la electricidad a través de las nubes, desempeñando el papel de pararrayos. Los investigadores generaron filamentos que vivieron un período demasiado corto para desencadenar un rayo real. No obstante, se registró un impulso en la actividad eléctrica dentro de las nubes. Según los científicos franceses y alemanes que llevaron a cabo el experimento, los pulsos rápidos enviados por el láser podrán provocar rayos a demanda. [128] El análisis estadístico mostró que sus pulsos de láser de hecho mejoraron la actividad eléctrica en la nube de tormenta donde estaba dirigida; de hecho, generaron pequeñas descargas locales ubicadas en la posición de los canales de plasma . [129]

Manifestaciones físicas [ editar ]

Magnetización remanente inducida por rayos (LIRM) mapeada durante un estudio de gradiente de campo magnético de un sitio arqueológico ubicado en Wyoming, Estados Unidos.

Magnetismo [ editar ]

El movimiento de cargas eléctricas produce un campo magnético (ver electromagnetismo ). Las intensas corrientes de la descarga de un rayo crean un campo magnético fugaz pero muy fuerte. Donde la trayectoria de la corriente del rayo pasa a través de la roca, el suelo o el metal, estos materiales pueden magnetizarse permanentemente. Este efecto se conoce como magnetismo remanente inducido por rayos o LIRM. Estas corrientes siguen la ruta menos resistiva, a menudo horizontalmente cerca de la superficie [130] [131] pero a veces verticalmente, donde las fallas, los cuerpos de mineral o el agua subterránea ofrecen una ruta menos resistiva. [132] Una teoría sugiere que las piedras imán , imanes naturales encontrados en la antigüedad, se crearon de esta manera. [133]

Las anomalías magnéticas inducidas por rayos pueden mapearse en el suelo, [134] [135] y el análisis de materiales magnetizados puede confirmar que el rayo fue la fuente de magnetización [136] y proporcionar una estimación de la corriente máxima de la descarga del rayo. [137]

La investigación de la Universidad de Innsbruck ha encontrado que los campos magnéticos generados por el plasma pueden inducir alucinaciones en sujetos ubicados a menos de 200 m (660 pies) de una tormenta eléctrica severa. [138]

Viento solar y rayos cósmicos [ editar ]

Algunos rayos cósmicos de alta energía producidos por supernovas, así como las partículas solares del viento solar, ingresan a la atmósfera y electrifican el aire, lo que puede crear vías para los rayos. [139]

Rayos y cambio climático [ editar ]

Debido a la baja resolución de los modelos climáticos globales, es difícil representar con precisión los rayos en estos modelos climáticos, en gran parte debido a su incapacidad para simular la convección y el imperativo de hielo en las nubes, que son fundamentales para la formación de los rayos. La investigación del programa Future Climate for Africa demuestra que el uso de un modelo que permita la convección en África puede capturar con mayor precisión las tormentas eléctricas convectivas y la distribución de partículas de hielo. Esta investigación indica que el cambio climático puede aumentar la cantidad total de rayos solo ligeramente: el número total de días de rayos por año disminuye, mientras que más nubes de hielo y una convección más fuerte provocan que ocurran más rayos en los días en que ocurren los rayos. [140]

Un estudio de la Universidad de Washington analizó la actividad de los rayos en el Ártico de 2010 a 2020. Se comparó la proporción de los golpes durante el verano en el Ártico con el total de golpes globales y se observó que aumentaba con el tiempo, lo que indica que la región está cada vez más influenciada por los rayos. . Se descubrió que la fracción de golpes por encima de los 65 grados norte aumentaba linealmente con la anomalía de la temperatura global de la NOAA y crecía en un factor de 3 a medida que la anomalía aumentaba de 0,65 a 0,95 ° C [141]

En cultura y religión [ editar ]

Rayo de Mikalojus Konstantinas Ciurlionis (1909)

En muchas culturas, el rayo ha sido visto como parte de una deidad o una deidad en sí mismo. Estos incluyen el dios griego Zeus , el azteca dios Tláloc , el maya dios K , Eslava mitología 's Perun , el Báltico Pērkons / Perkūnas , Thor en la mitología nórdica , Ukko en la mitología finlandesa , el hindú dios Indra , y el Shinto dios Raijin . [142] En la religión tradicional de los africanosTribus bantúes , el rayo es un signo de la ira de los dioses. Los versículos de la religión judía y del Islam también atribuyen una importancia sobrenatural a los relámpagos. En el cristianismo , la segunda venida de Jesús se compara con un rayo. ‹Ver Tfd› [Mateo 24:27] ‹Ver Tfd› ‹Ver Tfd› [Lucas 17:24] ‹Ver Tfd›

La expresión "El rayo nunca golpea dos veces (en el mismo lugar)" es similar a "La oportunidad nunca golpea dos veces" en la línea de una oportunidad "única en la vida", es decir , algo que generalmente se considera improbable. Los rayos ocurren con frecuencia y más en áreas específicas. Dado que varios factores alteran la probabilidad de que se produzcan impactos en un lugar determinado, los rayos repetidos tienen una probabilidad muy baja (pero no son imposibles). [143] [144] De manera similar, "Un rayo de la nada" se refiere a algo totalmente inesperado, y "Una persona es alcanzada por un rayo" es una metáfora imaginativa o cómica para que alguien experimente un relámpago repentino, una vez en la vida. -velocidad de la revelación,similar a una epifanía o unailuminación .

Algunos partidos políticos utilizan relámpagos como símbolo de poder, como el Partido de Acción Popular en Singapur , la Unión Británica de Fascistas durante la década de 1930 y el Partido de los Derechos de los Estados Nacionales en los Estados Unidos durante la década de 1950. [145] El Schutzstaffel , el ala paramilitar del Partido Nazi , usó la runa Sig en su logo que simboliza un rayo. La palabra alemana Blitzkrieg , que significa "guerra relámpago", fue una importante estrategia ofensiva del ejército alemán durante la Segunda Guerra Mundial.

En francés e italiano, la expresión para "Amor a primera vista" es coup de foudre y colpo di fulmine , respectivamente, que literalmente traducida significa "rayo". Algunos idiomas europeos tienen una palabra separada para el rayo que cae en el suelo (a diferencia del rayo en general); a menudo es un afín de la palabra inglesa "rays". El nombre del caballo de pura sangre más célebre de Australia , Phar Lap , deriva de la palabra compartida Zhuang y Thai para relámpago. [146]

El rayo en heráldica se llama rayo y se muestra como un zigzag con extremos no puntiagudos. Este símbolo generalmente representa potencia y velocidad.

El rayo se utiliza para representar las capacidades de comunicación instantánea de telégrafos y radios eléctricos . Era un motivo de uso común en el diseño Art Deco , especialmente el diseño Art Deco en zig-zag de finales de la década de 1920. [147] El rayo es una insignia común para las unidades de comunicaciones militares en todo el mundo. Un rayo también es el símbolo de la OTAN para un activo de señal .

El símbolo Unicode para un rayo es ☇ U + 2607.

Ver también [ editar ]

  • Convección atmosférica
  • Corona flash
  • Relámpago oscuro
  • Cosechando la energía del rayo
  • Keraunografía
  • Keraunomedicina : el estudio médico de las víctimas de rayos
  • Figura de Lichtenberg
  • Sistema de predicción de rayos
  • Rayo pálido
  • Radio atmosférica
  • Fuego de San Telmo
  • Sprites
  • Rayo de la atmósfera superior
  • Satélites Vela : satélites que podrían registrar superbolts de relámpagos
  • Whistler (radio)

Referencias [ editar ]

Notas [ editar ]

  1. Maggio, Christopher R .; Marshall, Thomas C .; Stolzenburg, Maribeth (2009). "Estimaciones de carga transferida y energía liberada por relámpagos en ráfagas cortas". Revista de Investigación Geofísica: Atmósferas . 114 (D14): D14203. Código Bibliográfico : 2009JGRD..11414203M . doi : 10.1029 / 2008JD011506 . ISSN  2156-2202 .
  2. ^ "TIEMPO SEVERO 101 - Conceptos básicos sobre relámpagos" . nssl.noaa.gov . Consultado el 23 de octubre de 2019 .
  3. ^ "Hechos del rayo" . factjustforkids.com . Consultado el 23 de octubre de 2019 .
  4. ^ a b c d "Seguridad contra rayos del NWS: comprensión de los rayos: electrificación de tormentas" . Administración Nacional Oceánica y Atmosférica . Archivado desde el original el 30 de noviembre de 2016 . Consultado el 25 de noviembre de 2016 . Este artículo incorpora texto de esta fuente, que es de dominio público .
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 Este artículo incorpora  material de dominio público del documento de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica : "Comprensión del rayo: electrificación de tormentas" .

Lectura adicional [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

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  • Cómo funciona Lightning en HowStuffWorks
  • Tormentas y relámpagos en Curlie
  • Investigación de NOAA Lightning
  • Cooperación europea para la detección de rayos
  • WWLLN Red mundial de ubicación de relámpagos
  • Bibliografía de fulguritas
  • Imagen de un rayo dentro de una nube de ceniza volcánica