Hemos tardado cinco capítulos, pero al final del último por fin conseguimos crear un circuito conductor de baja resistencia que ponga en contacto la carga negativa que se había acumulado en la base de la nube con la positiva inducida en la superficie terrestre. Sin embargo, el rayo en sí es bastante más sencillo de entender que los prolegómenos, lo explicaremos en los próximos tres párrafos.
Como ya dijimos, lo primero que ocurre tras producirse el contacto es la descarga de retorno. Para ser estrictos, esta descarga empieza desde el punto en que se cierra el circuito, ya las cargas que se encuentran allí son las primeras en enterarse que se ha producido el cortocircuito, por así decirlo. Luego, la descarga se va extendiendo hacia ambos extremos. Pero dicho punto está cerca del suelo, por lo que desde lejos solamente veremos la parte ascendente.
Tras la descarga de retorno inicial, el canal conductor permanece abierto durante un corto intervalo de tiempo. Mientras tanto, las cargas negativas situadas en zonas de la nube cercanas al origen del rayo pueden aprovechar la oportunidad para atravesar el canal conductor para viajar hasta las cargas positivas del suelo, con la sana intención de neutralizarse. Normalmente se pueden producir entre dos y cuatro de estas descargas secundarias.
Hay que tener en cuenta que en todas estas descargas se ponen en movimiento tanto electrones negativos que van hacia abajo (atraídos por las cargas positivas en la superficie), como iones positivos que van en sentido contrario. Ahora bien, los iones tienen una masa miles de veces mayor que los electrones, por lo que su movilidad es mucho menor. Por otra parte, por convenio, decimos que la corriente eléctrica va siempre de positivo a negativo. Así que decimos que la corriente es ascendente, por bien que la mayoría de portadores de carga sean negativos y se muevan en sentido contrario.
Tras el rayo, el canal conductor se cierra. Recordad que el aire se había vuelto conductor por la gran cantidad de electrones lentos que habían sido arrancados de sus respectivos electrones átomos por el paso de una avalancha de electrones ultra-rápidos. Pero debido a sus cargas, electrones e iones se atraen mutuamente, por lo que en poco tiempo se volverán a unir para volver a formar un átomo neutro, proceso que llamamos recombinación.
Con el canal cerrado, el aire vuelve a ser aislante, y no se pueden producir más descargas. Y, con esto, el ciclo vuelve a empezar:
- La fricción entre las gotas de agua y los cristales de hielo volverá a separar las cargas en el interior de la nube.
- Un rayo cósmico, procedente de cualquier rincón del universo, colisionará con un átomo en la atmósfera terrestre y creará una gran cascada de partículas, entre los cuales habrá electrones muy energéticos.
- Ese electrón colisionará con otros átomos del aire, arrancando gran cantidad de electrones lentos, más uno o dos electrones muy energéticos.
- Esos nuevos electrones energéticos recorrerán una distancia media de 50-100m en el aire, durante la cual serán empujados por el campo eléctrico, que aumentará aún más su energía.
- Finalmente, los electrones colisionarán con más átomos, arrancando más y más electrones formando una avalancha – que llamamos líder -, que desciende hacia la superficie terrestre a casi la velocidad a la luz. El líder deja tras de si un rastro de electrones lentos e iones.
- Cuando el líder se acerque a la superficie, su carga negativa atraerá a las cargas positivas del suelo, que saldrán volando, formando un nuevo líder positivo.
- Al encontrarse ambos líderes, se producirá una descarga de retorno.
- Tras la primera chispa, se producirán unas cuantas réplicas mientras se descargan diferentes zonas de la nube.
- Poco después, los iones y electrones libres se recombinarán, haciendo que el aire vuelva a ser aislante.
Esto que hemos explicado es la teoría más aceptada actualmente sobre los rayos. Como siempre, en ciencia, nunca podemos decir que lo sabemos todo; o incluso puede que estemos equivocados. No obstante, como dicta el método científico, se puede utilizar esta teoría para realizar predicciones que luego se contrastan con la realidad.
En primer lugar, la gran cantidad de electrones lentos en el aire, que recorren una corta distancia empujados por el campo eléctrico, debe provocar la emisión de radiación electromagnética de radiofrecuencia. Estas emisiones de radio procedentes de los rayos ya eran conocida, e incluso se utilizan para la teledetección de los mismos.
En segundo lugar, la presencia de electrones ultra-relativistas en el líder, moviéndose casi a la velocidad de la luz, conlleva la emisión de rayos X, que fueron detectados en primera vez por Charlie Moore en 2001. La confirmación de esta predicción es el mayor indicio en favor de esta teoría.
En Genciencia | Cómo se producen los rayos(1): Introducción
(2): Electrificación de la nube
(3): Rayos cósmicos, sembrado de electrones
(4): Ruptura relativista del aire
(5): Formación del canal conductor
(6): Descargas y conclusión
Vía | How cosmic rays trigger lightning strikes, Rayos que empiezan siendo Cósmicos
Fotos | Angeloux, donrenexito
Comentarios
Wow, realmente felicitaciones por esta serie de artículos, entendibles, y el formato que les diste a modo de capítulos es genial.
Aparte de esto, alguien sabe si se puede generar este canal, pero desde la tierra, de alguna manera enviando hacia arriba partículas que colisionaran y desencadenaran la misma reacción?
Partículas no se; pero sí he visto documentales en que lanzaban un cohete atado a un cable. Así, la descarga se produce por el cable y cae justo donde quieren los investigadores, que no es fácil de conseguir con los rayos "naturales".
Claro! Muchas gracias. Lo genial sería poder almacenar de alguna forma esa energía..
No quiero abusar pero bueno tanto para vos como para otra persona que pueda saber, la electricidad que se descarga a tierra por mano del hombre, tiene que ver en algo con los rayos? Y si no es así, que pasa entonces?
Si te refieres a las tomas a tierra de algunos enchufes eso pasa porque, de alguna manera, conectar a tierra es como conectar a algo que tiene potencial nulo. De esa forma los electrones que circulan por un circuito eléctrico tienden a moverse hacia donde el potencial es menor y por lo tanto se descargan hacia tierra.
No, no tiene que ver con los rayos.
La Tierra se puede considerar como un conductor enorme. En un conductor, la carga se distribuye por la superficie; pero la superficie terrestre es tan enorme que si absorbe cierta carga, los efectos se distribuyen tanto que no se notan. Por eso la Tierra es lo mejor que tenemos a nuestra mano para definir el origen de potenciales, como comentaba Kaiser.
Por supuesto, si la Tierra absorbiera sólo cargas de un signo al final los efectos se acabarían notando. Pero a la práctica, absorbe de media la misma carga positiva que negativa, así que todo se queda igual.
Es Kleiser, aunque no eres el primero ni seras el ultimo en confundirte xD.
Muchas gracias, suponía algo por el estilo pero bueno mejor preguntar que suponer erróneo :P
Claro, no sabia si había alguna carga que se acumulara especialmente, siendo asi quedarían las cosas neutras :D
Hola, que curioso yo vivo cerca de ese monumento a Nezahualcoyotl! hehe =D
Una pregunta: tambien se han detectado emisiones de rayos gamma en las tormentas eléctricas. ¿Se producen de la misma forma que la de rayos X o son consecuencia de los rayos cósmicos?
Eso no está del todo comprendido todavía (y menos yo, que no soy experto en el tema), pero probablemente se produzcan como consecuencia de rayos cósmicos especialmente energéticos.
Lo primero felicitaciones Jaume por esta serie de artículos, es bastante comprensible, y esperemos que esta teoría sea la acertada para que no tengas que reescribirla. En este último capítulo hay algo que creo que no está correcto. En el párrafo después de la segunda imagen, que comienza con "Tras el rayo,..." la segunda vez que mencionas la palabra "electrones", ¿no debería ser "átomos"?
Cierto, gracias.
Lo primero, felicitaciones por la serie de artículos. Realmente interesante.
Por otro lado, con toda la explicación queda bastante claro como los electrones, que están en la parte inferior de la nube, terminan "neutralizandose" con los iones positivos que vienen de tierra, despues de todo el proceso "catalizador" de los rayos cosmicos. Pero, ¿que pasa con los iones positivos que se fueron a la parte alta de la nube? No creo que se vayan acumulando indefinidamente, así que supongo que en algún momento deben neutralizarse con electrones. ¿Rayos "positivos" en la parte alta de las nubes? ¿Se dispersan en el espacio?
Se neutralizan mediante rayos que van de nube a nube (o entre diferentes partes de la misma nube).
Es razonable y explica los rayos "horizontales" entre nubes o los destellos dentro de las nubes que no llegan al suelo. Aún así, al descargarse buena parte de los electrones hacia tierra ¿No quedaría finalmente un "saldo" positivo de iones en las nubes? ¿De donde viene el aporte de electrones "extra" para compensar a los que se neutralizaron en tierra?
Tambien se da un fenomeno que, como tu bien has dicho aunque nose si lo conocias ya, se denomina rayo positivo. Esto rayos parten de la cima de las nubes en vez de la basa y supongo que el proceso de formacion sera analogo al de los rayos ordinarios.
Sin embargo estos rayos son mucho mas peligrosos que los normales y ademas pueden dar la apariencia de que caen con cielo despejado. Pero esto ya se menciono en las anteriores partes de la serie.
Buen artículo, me llama la atención que un rayo se desencadene por medio de los rayos cósmicos, es increible lo que se está descubriendo de este fenómeno meteorologico.
En mi profesión se usan todo tipo de condensadores y viene a cuento, porque el espacio entre placas de un condensador se llama dielectrico. El aire también se usa habitualmente como dieléctrico y cuando la diferencia potencial de las placas aumenta demasiado el aire se vuelve conductor, se dice entonces que se sobrepasa "el campo de ruptura del dieléctrico".
La tensión máxima que soporta un dieléctrico sin "comunicarse" se llama "rigidez dielectrica", cada material aislante tiene una constante dieléctrica K, el valor de K en el aire es 1,00059 uno de los más elevados entre los diversos aislantes, por eso es necesesario voltajes de millones de voltios para producír esa ruptura en cientos de metros desde la nube al suelo más proximo.
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