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Cómo se forman los rayos: qué dice la ciencia

Los rayos son descargas electrostáticas atmosféricas con origen en la acumulación de carga eléctrica en las nubes. Estas descargas se producen cuando tiene lugar la ruptura dieléctrica del aire al superar un determinado valor de campo eléctrico. En consecuencia se genera un canal ionizado en estado plasmático que facilita la transferencia de carga entre dos puntos. El conocimiento científico sobre cómo se forman los rayos debe usarse para optimizar la protección contra el rayo.

El estudio del rayo y los fenómenos relacionados implica a distintas ramas de la física, desde la atmosférica a la del plasma o la electrodinámica cuántica. A día de hoy no se conoce en su totalidad el mecanismo exacto por el que se generan los rayos en las nubes y tampoco el mecanismo por el que impactan en un determinado punto. Sin embargo, y a pesar de las dificultades para estudiar estas descargas atmosféricas, se dispone cada vez de más información proveniente de las observaciones y medidas [1].

A continuación presentaremos un breve resumen de lo que dice la ciencia sobre cómo se forman los rayos, centrándonos en especial en los rayos nube-tierra por su mayor relevancia en la protección frente a tormentas eléctricas.

Formación de rayos en las nubes de tormenta

Las nubes de tormenta suelen ser de tipo cumulonimbo y se forman cuando se producen las condiciones adecuadas para que la nube crezca verticalmente. Los cumulonimbos son gigantescos motores térmicos que convierten la energía solar en la energía mecánica de las corrientes de aire y en la energía eléctrica de los rayos [2], [3].

Al formarse las nubes de tormenta se rompe el equilibrio de cargas positivas y negativas de la atmósfera, dado que tiene lugar la polarización de las cargas eléctricas. Así, la parte inferior de las nubes queda cargada negativamente, induciendo una carga positiva en la tierra y los elementos sobre ella. Por lo tanto, se genera un campo eléctrico de hasta decenas de kilovoltios.

La nube adquiere carga eléctrica a través de distintos mecanismos de electrificación. Se considera que el principal de estos mecanismos implica colisiones entre partículas de tamaño milimétrico de granizo blando o graupel y pequeños cristales de hielo en presencia de gotas de agua superenfriada. El agua superenfriada se caracteriza por no estar congelada a pesar de la temperatura inferior a 0 °C [1]–[4].

No obstante, aún no se disponen todos los detalles de los procesos de microfísica de descarga que generan los trazadores ni de los procesos que producen los campos eléctricos necesarios para originar rayos. Por ello, el mecanismo (o mecanismos) físicos por los que se inician las descargas atmosféricas dentro de las nubes de tormenta no se ha resuelto todavía. Se debe a que, después de décadas de medida del campo eléctrico dentro de las nubes, no se ha detectado un campo eléctrico suficiente para provocar descargas, al menos según el consenso científico actual [1].

Conexión de los trazadores descendente y ascendente que forma el rayo nube-tierra

Cuando se sobrepasa el campo eléctrico de ionización del aire, este puede convertirse de un aislante casi perfecto en un medio conductor por el que la carga de la nube busca el camino más directo a tierra. Entonces se genera un trazador o líder descendente que sale de la nube portando parte de su carga. Se lo conoce también como “stepped leader” porque avanza en pasos discretos o saltos (steps). En el camino del rayo nube-tierra, el trazador descendente puede dividirse en diversas ramificaciones [2] y propagarse en cualquier dirección, pero siempre en saltos que dependen de la corriente asociada a esa descarga.

Una vez el rayo se aproxima suficientemente al suelo, se eleva el campo eléctrico a nivel de tierra y uno o varios puntos de elementos puestos a tierra comienzan a lanzar descargas corona [2]. Se trata de descargas eléctricas producidas por la ionización del gas que rodea a un conductor cargado. A partir de ellas se generan los líderes o trazadores ascendentes. El primer líder ascendente que alcance al descendente creará un camino de descarga nube-tierra. En el salto final (final jump) del trazador descendente, la dirección ya no es aleatoria sino que está determinada por el trazador ascendente a su alcance.

Al ser interceptada por un objeto, la corriente busca el camino más rápido a tierra generando un pulso de corriente de muy alta energía con una amplitud de decenas o centenas de miles de amperios (descarga de retorno o return stroke) [2]. Si la nube presenta más carga adicional tras la descarga de retorno, pueden aparecer nuevos arcos conocidos como subsiguientes o subsequent strokes.

El reciente estudio observacional de Saba et al. [5] utilizó una cámara de vídeo de alta velocidad para analizar la dinámica de los líderes en un rayo nube-tierra. . El vídeo de esta publicación de acceso abierto se encuentra disponible en Internet.

El impacto evaluado se registró el 30 de marzo de 2021 y, con las imágenes de vídeo obtenidas, se encontraron 31 líderes ascendentes desde los edificios circundantes en dirección a los líderes descendentes. Los ascendentes se caracterizaron por propagarse de forma recta y sin ramificarse, mientras que los descendentes presentaron ramificaciones. El líder ascendente que conectó con el descendente fue tres veces más rápido que el resto de los 31 líderes detectados.

En una publicación posterior, también de carácter observacional, Saba et al. [6] analizaron un impacto previo (del 1 de febrero de 2017), interceptado por un pararrayos de un edificio residencial. En este estudio se realizaron medidas de campo eléctrico, de corriente y de velocidad de los líderes ascendentes mediante cámaras de vídeo de alta velocidad, un sensor de campo eléctrico y sensores de corriente instalados en los pararrayos.

Los autores observaron que los líderes ascendentes respondían a las diferentes ramificaciones del líder descendente, alternando su propagación e intensidad. Este patrón intermitente se detuvo justo antes de la conexión de los líderes, cuando todos los trazadores descendentes se intensificaron y, en consecuencia, los líderes ascendentes se sincronizaron en sus pulsos de corriente [6].

Además, los líderes ascendentes inducidos por los trazadores descendentes se propagaron más o menos a una velocidad constante. El líder ascendente que conectó con el descendente fue el más rápido de todos los que se generaron, seguido por el líder ascendente más próximo al último salto o final jump. Por otra parte, el líder ascendente que conecta con el descendente experimentó un incremento de la velocidad justo antes de que se produjera el final jump, estimada en al menos 45 veces más alta que la velocidad media del líder ascendente. Asimismo, la corriente continua más elevada se midió en el líder ascendente que conectó con el trazador descendente [6].

Protección inteligente contra el rayo basada en la ciencia

El conocimiento científico del fenómeno del rayo es crucial para optimizar los sistemas de protección contra el rayo. Precisamente los pararrayos con dispositivo de cebado (PDC) se fundamentan en emitir el trazador ascendente de forma continua antes que cualquier otro objeto dentro de su radio de protección. En vez de tratarse de un proceso aleatorio como en el caso de la protección convencional, los PDC se caracterizan por controlar la emisión del trazador ajustándola al momento oportuno y permitiendo así una mayor área de cobertura.

En el mercado de los PDC destaca el pararrayos inteligente DAT CONTROLER® REMOTE, capaz de autoevaluarse y comunicar el diagnóstico diario a través de conectividad IoT. Este PDC no cumple solo con los ensayos normativos, realizados de manera consecutiva sobre la misma muestra, sino que está certificado más allá de las exigencias normativas para funcionar en condiciones adversas de lluvia intensa, atmósferas explosivas, etc.

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Referencias

[1]    J. R. Dwyer and M. A. Uman, ‘The physics of lightning’, Phys. Rep., vol. 534, no. 4, pp. 147–241, 2014.

[2]    V. Cooray, An Introduction to Lightning. Springer Netherlands, 2015.

[3]    C. Gomes, Ed., Lightning, vol. 780. Springer Singapore, 2021.

[4]    M. A. Cooper and R. L. Holle, Reducing Lightning Injuries Worldwide. 2019.

[5]    M. M. F. Saba, D. R. R. da Silva, J. G. Pantuso, and C. L. da Silva, ‘Close view of the lightning attachment process unveils the streamer zone fine structure’, Geophys. Res. Lett., vol. 49, no. 24, Dec. 2022.

[6]          M. M. F. Saba, P. B. Lauria, C. Schumann, J. C. de O. Silva, and F. de L. Mantovani, ‘Upward leaders initiated from instrumented lightning rods during the approach of a downward leader in a cloud‐to‐ground flash’, J. Geophys. Res., vol. 128, no. 8, Apr. 2023.

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