Una tormenta eléctrica es uno de los espectáculos más potentes de la naturaleza. Aunque a simple vista solo vemos un destello instantáneo que baja del cielo, la física detrás de un rayo es un proceso de ida y vuelta mucho más complejo de lo que parece.
El laboratorio dentro de la nube
Todo comienza con una separación de cargas eléctricas dentro de la nube de tormenta. Debido al movimiento del aire y el hielo, los cristales más pequeños y ligeros (cargados positivamente) suben a la parte superior, mientras que los cristales de hielo más pesados (cargados negativamente) se acumulan en la base.
Esta diferencia de potencial puede superar los 100 millones de voltios. Cuando la tensión es demasiado alta para que el aire la aísle, se produce la descarga.
La danza de los dos rayos
Lo que vemos como un solo impacto es en realidad una coreografía de dos movimientos:
La guía escalonada (El que cae): Desde la base negativa de la nube, una "guía" invisible de carga negativa desciende hacia la Tierra en zigzag a una velocidad de unos m/s.
La descarga de retorno (El que sube): A medida que esta guía se acerca al suelo (que tiene carga positiva), los objetos puntiagudos y elevados de la Tierra responden lanzando hacia arriba una corriente de iones positivos. Cuando ambas corrientes se encuentran, se cierra el circuito y se produce el destello cegador que vemos, el cual viaja desde el suelo hacia la nube.
Por tanto, técnicamente el rayo hace ambas cosas: la conexión inicial baja, pero la descarga principal de luz y energía sube.
Rayos entre nubes: El fenómeno más común
Aunque los rayos que tocan tierra son los más famosos, no son los más frecuentes. La mayoría de los rayos son intra-nube, es decir, saltan entre zonas de carga opuesta dentro de la misma nube o viajan de una nube a otra sin llegar a tocar jamás el suelo.
La próxima vez que veas una tormenta, recuerda que no solo estás viendo algo que "cae", sino un intercambio masivo de energía en el que la Tierra también participa activamente enviando su propia carga hacia el cielo.
Comentarios
Así pues un rayo se produce cuando hay el suficiente diferencial eléctrico entre una zona A y una zona B. Pensemos que la electricidad necesita ser compensada, así como dos recipientes de agua comunicados también se compensan.
Bien, cuando existe ese diferencial se produce una descarga eléctrica pasando electrones desde una zona A (que está muy cargada) hacia una zona B (que está muy poco cargada).
Aún así, hay que recordar que el aire no es un material conductor, almenos en condiciones normales. Pero cuando el ambiente se carga eléctricamente, llega un punto en que los electrones del aire se empiezan a desplazar y por un momento, el aire pasa a ser conductor. Normalmente eso pasa cuando hay un diferencial de potencial suficientemente grande.
Así pues, los rayos no caen, los rayos van desde la posición A a la B.
Comúnmente la zona A es una nube y la zona B es el suelo, pero puede pasar (y pasa) que la zona B sea otra parte de la nuve o incluso otra nube.
Igual es más fácil de imaginarlo con un imán. Todos hemos jugado con imanes, y sabemos que los dos polos opuestos de un imán se atraen. De hecho, si estuvieran juntos, ya no serían un imán :-)
Imaginemos dos imanes; uno en el techo y otro en el suelo, y un tercero sostenido entre ambos en perfecto equilibrio entre la atracción del suelo y del techo (por tanto, "flotando" en el aire). Tendremos aquí dos sistemas eléctricos: uno entre el techo y el imán central y otro entre el imán central y el suelo. ¿Qué ocurre si separamos el imán del techo acercándolo hacia el suelo? En un momento dado, más bien pronto que tarde, el imán central se sentirá atraído irremediablemente hacia el suelo.
En medio de una tormenta, en una nube se produce una separación de cargas entre las capas altas y las capas bajas de la misma. Las capas altas serán nuestro "imán del techo" y las bajas el imán central. Hay varias teorías para explicar esta separación de cargas, pero el hecho es que se producen, provocando que los electrones cada vez se separen más y cada vez se acerquen más al suelo. Además, estos electrones, a su paso por la atmósfera, van ionizando (cargando eléctricamente) otras partículas que se "unen a la juerga", si se me permite la expresión.
Mientras tanto en la tierra, los expectantes iones positivos aprovechan su contorno, sus picos, postes eléctricos, etc., para "subir a curiosear", atraídos por la fuerte carga eléctrica que se aproxima...
Cuando la distancia es suficientemente corta, se produce la irresistible unión eléctrica formando un circuito entre la tierra, los electrones más avanzados, y el resto de "tropa" que se les aproxima, hasta llegar a la nube, provocando una enorme descarga eléctrica entre ésta y el suelo.
Así pues, en cierta forma se puede decir que un rayo "cae" al suelo (descarga) aunque el circuito eléctrico para hacerlo sigue el camino inverso en su formación.
PD: jirodino, en ésta te has salido. Jaja. Muy buena explicación.