lunes 31 de mayo de 2021
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¿Cómo se forman los rayos?

Los rayos se forman como una descarga electrostática para neutralizar la separación de cargas eléctricas entre nubes o entre nube y suelo.

El rayo es una de las fuerzas más poderosas de la naturaleza. Tiene la misma capacidad de fascinarnos que de atemorizarnos. Mientras que fue precisamente por lo asombroso de su fuerza que en la antigüedad se le atribuía un carácter divino, como con el dios griego Zeus, el nórdico Thor o el azteca Tlaloc. Ahora sabemos que, en realidad, los rayos se forman como una potente descarga electrostática natural que tiene por objetivo neutralizar la separación de cargas eléctricas en una nube, entre dos nubes, o entre una nube y la superficie.

Los rayos van acompañados de una emisión de luz, el relámpago, que al calentar las partículas de aire a su alrededor produce un sonido, el trueno. Siempre vemos el relámpago primero, y escuchamos el trueno después, porque la luz es bastante más rápida que el sonido: la velocidad de la luz es de 299,791,819 metros por segundo, mientras que la del sonido es de 321 metros por segundo.

¿Cómo se forman los rayos?

El rayo más estudiado es el que se da entre una nube y la superficie terrestre. Aunque los rayos dentro de una misma nube o entre dos nubes son bastante más comunes, también son más difíciles de estudiar porque no hay un punto físico que monitorear dentro de las nubes. Por esa razón, el tipo de rayo que este artículo aborda es el que se produce entre una nube y la superficie. La manera en como se forman los rayos consta de cinco etapas:

1. Separación de cargas eléctricas en una nube

charge separation

El aire más cercano al suelo se calienta por la temperatura de la superficie, y sube hacia el cielo produciendo una corriente ascendente. En la medida que sube, se enfría, por lo que el vapor de agua se condensa y se forma una nube. Cuando las gotas de agua son demasiado pesadas, caen como lluvia (esto se aborda con más detalle en ¿Qué son las nubes?).

La lluvia trae consigo algo del aire frío que rodeaba la nube, creando una corriente descendiente. Cuando la corriente choca contra el suelo, se dispersa en cualquier dirección: ése es el viento que sentimos poco antes de una tormenta. La oposición entre la corriente ascendente y descendente separa las cargas eléctricas en una nube, pues la primera lleva la carga eléctrica positiva hacia la parte superior de ésta y la segunda, la carga eléctrica negativa hacia su parte inferior.

2. Inducción de una carga eléctrica positiva en el suelo

La carga eléctrica negativa en la parte inferior de la nube adquiere la magnitud necesaria como para provocar que la superficie adquiera una carga eléctrica positiva. Esto ocurre cuando el campo eléctrico de la nube se expande a su alrededor y llega al suelo. Los electrones, que tienen carga negativa, son repelidos por la misma carga negativa de la parte inferior de la nube. En cambio, los protones, que tienen carga positiva, son atraídos hacia la superficie de la tierra. Con la separación de cargas opuestas en la nube y con la creación de una carga positiva en el suelo, se prepara el terreno para que ocurra un rayo.

3. Creación de dos vías conductivas

steppedleader

Neutralizar las cargas opuestas entre la nube y el suelo requiere que haya una vía de comunicación entre ellos. Desde la nube, en un proceso todavía no bien comprendido por los científicos, un canal de aire ionizado se origina en su parte inferior, que es la que tiene carga negativa.

Ese canal de aire, de carga negativa, se llama trazador descendente, y viaja fuera de la nube. En la animación de la izquierda se muestra ese suceso. “Leader” es el término para nombrar al trazador descendente en inglés. Mientras se acerca a la superficie, moviéndose en forma escalonada, el mismo suelo empieza a responder creando un trazador ascendente, con carga positiva, que viaja hacia la nube.

4. Unión de las vías conductivas

El trazador descendente y el trazador ascendente se unen en un solo punto, completando la vía de comunicación entre la nube y el suelo. Con el canal creado entre ellos, ya es posible que una corriente eléctrica neutralice sus cargas opuestas.

5. Descarga eléctrica

lightning_in_arlington1

En esta etapa sucede el rayo, y vemos lo que conocemos como relámpago. La descarga eléctrica es súbita y masiva: ésta viaja desde la nube hacia el suelo, a través del canal creado por los trazadores descendente y ascendente, para neutralizar las cargas opuestas.

Como existe una cantidad impresionante de electricidad, también existe una cantidad impresionante de calor. Ese calor calienta el aire alrededor de la vía conductiva, que se expande hacia afuera y se abre paso entre el aire más frío que lo rodea.
Este fenómeno se conoce como una onda de choque, similar a la producida por una explosión, y esto es lo que causa el trueno. Así, la generación conjunta de relámpago y trueno, es lo que explica cómo se forman los rayos.

¿Cómo sobrevivir una tormenta eléctrica?

Fuentes:
National Weather Service. Understanding Lightning: Initiation of a Stepped Leader.
Samuel Mouton (2010). How Lightning Works.
The Physics Classroom (2013). Lightning.

Luis Butten
Luis busca compartir la fascinación que siente por entender el mundo que nos rodea, ofreciendo explicaciones científicas con un lenguaje accesible. Como diría Marie Curie: "Nada en la vida debe ser temido, solo comprendido". Con Biorígenes, desea precisamente eso: que todos temamos menos porque comprendemos más, puesto que no hay misterio tan oscuro sobre el que la luz de la razón no pueda brillar.

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