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Cómo se producen los rayos (4)

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En las entregas anteriores vimos que las nubes de tormenta son capaces de electrificarse por si solas, pero las mediciones experimentales demuestran que el campo eléctrico nunca crece lo suficiente como para llegar a convertir el aire en conductor.

Dijimos también que, según la teoría vigente (y que, por el momento, va superando los tests experimentales), el responsable de desencadenar la descarga es un electrón de muy alta energía, formado como subproducto secundario tras el impacto con la atmósfera de un rayo cósmico.

Para entender lo que ocurre una vez que el electrón relativista entra en la nube debemos tener claros un par de conceptos. En primer lugar, el recorrido libre medio es la distancia promedio que puede recorrer una partícula antes de colisionar con un átomo o molécula del medio en que se encuentra. Cuanto más rápido vaya, mayor será esta distancia, como parece lógico.

Por ejemplo, si un campo eléctrico muy alto llega a arrancar un electrón de un átomo, se considera que tendrá un recorrido libre medio de unos centímetros. En cambio, los electrones de muy alta energía creados por los rayos cósmicos, que se mueven a prácticamente la velocidad de la luz, llegan a recorrer entre 50 y 100 metros antes de volver a colisionar con una molécula de aire.

Lo segundo que tenemos que entender es la aceleración que una partícula cargada sufre al encontrar en el si de un campo eléctrico. Recordad que en la base de la nube hay una gran cantidad de carga negativa acumulada, mientras que en el suelo encontraremos carga positiva. Si un electrón – cuya carga es negativa -, llega a situarse entre estas dos zonas las cargas positivas de la superficie tenderán a atraerlo (cargas opuestas se atraen), mientras que las cargas de la nube lo repelerán (cargas iguales se repelen).

Es decir, si un electrón libre llega hasta la parte baja de la nube, ambas fuerzas eléctricas lo empujarán hacia abajo. La energía suministrada por el campo eléctrico será proporcional a la distancia que el electrón recorra. Los que conozcáis la definición matemática del trabajo realizado por una fuerza lo habréis entendido a la primera, los que no pensarlo de esta forma: cuanto más tiempo actúen las fuerzas, mayor energía suministrarán.

Un rayo

Juntando todo esto, llegamos a la conclusión que los electrones extremadamente energéticos procedente de los rayos cósmicos, si llegan a la base de la nube, son capaces de aumentar aún más su energía gracias que recorren mayor distancia en el si del campo eléctrico.

Tras recorrer esos 50-100 metros de media, el electrón chocará contra una molécula de aire. El resultado de una colisión tan energética es la producción de una gran cantidad de partículas. Entre otras cosas, la colisión arrancará muchos de los electrones que hay en los átomos de la molécula.

La energía del electrón incidente se repartirá entre todas estas partículas, pero como éste tenía una energía enorme, es muy probable que haya más electrones que también se muevan a gran velocidad. Estos nuevos electrones podrán, igual que su progenitor, recorrer una distancia media de 50 a 100m, durante la cual serán empujados hacia abajo por las fuerzas eléctricas, que volverán a aumentar sus energías.

En definitiva, lo que está ocurriendo es que el campo eléctrico es capaz de restituir la energía perdida durante las colisiones. Pero para que lo pueda hacer, es necesario que todo comience con un electrón extremadamente energético, con un recorrido libre medio suficientemente largo. Electrones tan energéticos no se crean por si sólos, por eso es necesaria la intervención de los rayos cósmicos.

Es decir, los rayos cósmicos siembran electrones de muy alta energía, que si por casualidad llegan a una nube suficientemente electrificada pueden desencadenar una avalancha de más y más electrones. Dicha avalancha representa la primera fase del rayo, lo que llamamos el líder. Este proceso recibe el nombre, en inglés, de runaway breakdown, que podríamos traducir como ruptura de escape (si se os ocurre una mejor traducción…), aunque yo prefiero llamarla ruptura relativista del aire.

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, New Scientist, agosto 2005
Fotos | Christian Fausto Bernal, El Garza

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