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Rayos que caen desde las nubes hasta la tierra impactan el mar Mediterráneo frente a Port-la-Nouvelle, en el sur de Francia. El rayo es un fenómeno natural que consiste en desca...

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Rayos que caen desde las nubes hasta la tierra impactan el mar Mediterráneo frente a Port-la-Nouvelle, en el sur de Francia.

El rayo es un fenómeno natural que consiste en descargas electrostáticas que se producen a través de la atmósfera entre dos regiones cargadas eléctricamente . Una o ambas regiones se encuentran en la atmósfera, mientras que la segunda a veces se ubica en el suelo . Tras el rayo, las regiones se neutralizan eléctricamente, parcial o totalmente.

El rayo implica una liberación de energía casi instantánea en una escala que promedia entre 200 megajulios y 7 gigajulios. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] El aire alrededor del rayo se calienta rápidamente a temperaturas de aproximadamente 30 000 °C (54 000 °F) . [ 4 ] Hay una emisión de radiación electromagnética en un amplio rango de longitudes de onda, algunas visibles como un destello brillante. El rayo también produce truenos , un sonido de la onda de choque que se desarrolla cuando los gases calentados en las proximidades de la descarga experimentan un aumento repentino de presión.  

El fenómeno más común en el que se produce un rayo es la tormenta eléctrica , aunque también pueden ocurrir en otros tipos de sistemas meteorológicos energéticos , como las erupciones volcánicas . Los rayos influyen en el circuito eléctrico atmosférico global y en la química atmosférica , y son una fuente natural de ignición de incendios forestales . La Organización Meteorológica Mundial considera a los rayos una variable climática esencial [ 5 ] , y su estudio científico se denomina fulminología .

Formularios

Se distinguen tres formas principales de relámpagos según el lugar donde ocurren: [ 6 ] [ 7 ]

  • Intra-nube (IC) o dentro de la nube : dentro de una misma nube de tormenta.
  • De nube a nube (CC) o entre nubes : entre dos nubes
  • Nube a tierra (CG) – Entre una nube y el suelo, en cuyo caso se denomina descarga eléctrica .

Se reconocen muchas otras variantes observacionales, entre ellas: el rayo volcánico , que puede ocurrir durante las erupciones volcánicas ; el " rayo de calor ", que se puede ver desde una gran distancia pero no oír; el rayo seco , que puede causar incendios forestales ; y el rayo globular , que rara vez se observa científicamente.

Los efectos más directos de los rayos en los seres humanos se producen como resultado de los rayos nube-tierra, aunque los rayos intra-nube y nube-nube son más comunes. Los rayos intra-nube y nube-nube afectan indirectamente a los seres humanos a través de su influencia en la química atmosférica .

Existen variaciones de cada tipo, como los destellos CG "positivos" frente a los "negativos", que tienen diferentes características físicas comunes a cada uno que se pueden medir.

Nube a tierra (CG)

De nube a tierra vista en cámara lenta

El rayo nube-tierra (CG) es una descarga eléctrica que se produce entre una nube de tormenta y el suelo. Se inicia con un líder escalonado que desciende de la nube y que se encuentra con una descarga en forma de serpentina que asciende desde el suelo.

El rayo CG es el menos común, pero el mejor comprendido de todos los tipos de rayos. Es más fácil de estudiar científicamente porque termina en un objeto físico, el suelo, y se presta a ser medido con instrumentos terrestres. De los tres tipos principales de rayos, representa la mayor amenaza para la vida y la propiedad, ya que termina en el suelo o "impacta".

La descarga total, denominada relámpago, se compone de varios procesos como la ruptura preliminar, los líderes escalonados, los líderes de conexión, las descargas de retorno, los líderes en forma de dardo y las descargas de retorno subsiguientes. [ 8 ] La conductividad del terreno eléctrico, ya sea suelo, agua dulce o agua salada , puede afectar la tasa de descarga del rayo y, por lo tanto, sus características visibles. [ 9 ]

Rayos positivos y negativos

Los rayos nube-tierra (CG) son positivos o negativos, según la dirección de la corriente eléctrica convencional entre la nube y la tierra. La mayoría de los rayos CG son negativos, lo que significa que se transfiere una carga negativa (flujo de electrones) hacia abajo, a la tierra, a lo largo del canal del rayo (la corriente convencional fluye desde la tierra hacia la nube). En un rayo CG positivo, ocurre lo contrario: los electrones se desplazan hacia arriba a lo largo del canal del rayo, mientras que también se transfiere una carga positiva hacia abajo, a la tierra (la corriente convencional fluye desde la nube hacia la tierra).

Los rayos positivos son menos comunes que los negativos y, en promedio, representan menos del 5% de todos los rayos. [ 10 ]

Un rayo azul, aparentemente originado en un claro del cielo, es impulsado por la turbulencia atmosférica sobre la nube en forma de yunque, que dirige un rayo de plasma directamente al suelo. Se les suele llamar destellos positivos, a pesar de que su polaridad suele ser negativa.

Existen varios mecanismos teóricos que dan lugar a la formación de rayos positivos. [ 11 ] Estos se basan principalmente en el movimiento o la intensificación de los centros de carga en la nube. Dichos cambios en la carga de la nube pueden producirse como resultado de variaciones en la cizalladura vertical del viento o la precipitación, o la disipación de la tormenta. Los rayos positivos también pueden ser resultado de ciertos comportamientos de las descargas dentro de la nube, por ejemplo, la ruptura o ramificación de rayos existentes.

Los rayos positivos tienden a ser mucho más intensos que sus contrapartes negativas. Un rayo negativo promedio crea una corriente eléctrica de 30 000 amperios (30  kA), transfiriendo un total de 15  C ( culombios ) de carga eléctrica y 1 gigajulio de energía . Los rayos positivos de gran magnitud pueden crear hasta 120  kA y transferir 350  C. [ 12 ] El destello positivo promedio a tierra tiene aproximadamente el doble de la corriente pico de un destello negativo típico, y puede producir corrientes pico de hasta 400  kA y cargas de varios cientos de culombios. [ 13 ] [ 14 ] Además, los destellos positivos a tierra con altas corrientes pico suelen ir seguidos de corrientes continuas prolongadas, una correlación que no se observa en los destellos negativos a tierra. [ 15 ]

Debido a su mayor potencia, los rayos positivos son considerablemente más peligrosos que los negativos. [ 11 ] Los rayos positivos producen corrientes máximas más elevadas y corrientes continuas más prolongadas, lo que les permite calentar las superficies a niveles mucho más altos, aumentando así la probabilidad de que se produzca un incendio. Las largas distancias que pueden recorrer los rayos positivos a través del aire libre explican por qué se les conoce como "rayos caídos del cielo", ya que no dan ninguna advertencia a los observadores.

También se ha demostrado que los rayos positivos desencadenan la aparición de relámpagos ascendentes desde lo alto de estructuras elevadas y son en gran parte responsables de la formación de sprites a varias decenas de kilómetros sobre el nivel del suelo. Los rayos positivos tienden a ocurrir con mayor frecuencia en tormentas invernales , como en el caso de la nieve con truenos , durante tornados intensos [ 16 ] y en la fase de disipación de una tormenta eléctrica . [ 17 ] También se generan enormes cantidades de ondas de radio de frecuencia extremadamente baja (ELF) y de muy baja frecuencia (VLF) . [ 18 ]

Contrariamente a la creencia popular, los relámpagos positivos no necesariamente se originan en el yunque o en la región de carga positiva superior y caen en un área libre de lluvia fuera de la tormenta. Esta creencia se basa en la idea obsoleta de que los líderes de los relámpagos son unipolares y se originan en su región de carga respectiva. A pesar de la idea errónea popular de que los relámpagos que se originan en el yunque son positivos, porque parecen originarse en la región de carga positiva, las observaciones han demostrado que en realidad son relámpagos negativos. Comienzan como relámpagos IC dentro de la nube, el líder negativo luego sale de la nube desde la región de carga positiva antes de propagarse a través del aire despejado y caer al suelo a cierta distancia. [ 19 ] [ 20 ]

De nube a nube (CC) e intra-nube (IC)

Las descargas eléctricas pueden ocurrir entre áreas de nubes sin contacto con el suelo. Cuando ocurren entre dos nubes separadas, se conocen como rayos nube a nube (CC) o internube ; cuando ocurren entre áreas con diferente potencial eléctrico dentro de una misma nube, se conocen como rayos intranube (IC). Los rayos IC son el tipo más frecuente. [ 17 ]

Los rayos IC suelen producirse entre la parte superior del yunque y la parte inferior de una tormenta eléctrica. A veces, estos rayos pueden observarse a grandes distancias durante la noche, conocidos como " rayos difusos ". En tales casos, el observador puede ver solo un destello de luz sin oír ningún trueno.

Otro término utilizado para los relámpagos nube-nube o nube-nube-tierra es "rayo de yunque", debido a la forma en que la carga, que generalmente se origina debajo o dentro del yunque, se propaga a través de las capas superiores de la nube durante una tormenta eléctrica, generando a menudo espectaculares descargas ramificadas. Estas suelen observarse cuando la tormenta pasa sobre el observador o comienza a disiparse. El comportamiento más evidente de este rayo se produce en tormentas eléctricas bien desarrolladas que presentan una intensa cizalladura en la parte posterior del yunque.

Formación

Los procesos involucrados en la formación de rayos se dividen en las siguientes categorías:

  1. Fenómenos atmosféricos a gran escala en los que puede producirse una separación de carga (por ejemplo, una tormenta ).
  2. Procesos microscópicos y macroscópicos que dan como resultado la separación de cargas
  3. Establecimiento de un campo eléctrico
  4. Descarga a través de un canal de rayos

Fenómenos atmosféricos en los que se producen rayos.

Los relámpagos ocurren principalmente cuando el aire cálido se mezcla con masas de aire más frío, [ 21 ] lo que produce perturbaciones atmosféricas necesarias para polarizar la atmósfera. [ 22 ] Estas perturbaciones dan lugar a tormentas , y cuando estas tormentas también producen relámpagos y truenos, se denominan tormentas eléctricas .

Los relámpagos también pueden ocurrir durante tormentas de polvo , incendios forestales , tornados , erupciones volcánicas e incluso en el frío del invierno, donde se les conoce como truenos de nieve . [ 23 ] [ 24 ] Los huracanes suelen generar algunos relámpagos, principalmente en las bandas de lluvia hasta a 160 km (99 mi) del centro. [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]  

Los incendios forestales intensos, como los ocurridos durante la temporada de incendios forestales australiana de 2019-2020 , pueden generar sus propios sistemas meteorológicos que producen rayos (también llamados rayos de fuego) y otros fenómenos meteorológicos. [ 28 ] El intenso calor de un incendio provoca que el aire ascienda rápidamente dentro de la columna de humo, formando nubes pirocúmulonimbos . Este aire turbulento ascendente atrae aire más frío, lo que ayuda a enfriar la columna. La menor presión atmosférica a gran altitud enfría aún más la columna ascendente, permitiendo que la humedad se condense en nubes. Las nubes pirocúmulonimbos se forman en una atmósfera inestable. Estos sistemas meteorológicos pueden producir rayos secos , tornados de fuego , vientos intensos y granizo sucio. [ 28 ]

Además de las condiciones termodinámicas y dinámicas de la atmósfera, se cree que la composición de los aerosoles (por ejemplo, polvo o humo) influye en la frecuencia de los relámpagos durante una tormenta. [ 29 ] Un ejemplo específico de esto es que se observa una frecuencia relativamente alta de relámpagos a lo largo de las rutas de los barcos. [ 30 ]

También se ha observado que las estelas de condensación de los aviones influyen en los rayos en pequeña medida. Las estelas de condensación de los aviones, densas en vapor de agua, pueden proporcionar una vía de menor resistencia a través de la atmósfera, influyendo en el establecimiento de una trayectoria iónica para que un rayo la siga. [ 31 ] Las columnas de escape de los cohetes proporcionaron una vía para un rayo cuando se observó que impactaba el cohete Apolo 12 poco después del despegue.

Se ha observado que las explosiones termonucleares , al proporcionar material adicional para la conducción eléctrica y una atmósfera localizada muy turbulenta, desencadenan relámpagos dentro de la nube en forma de hongo. Además, la intensa radiación gamma de grandes explosiones nucleares puede generar regiones de alta carga en el aire circundante mediante la dispersión Compton . Estas regiones de carga espacial intensa crean múltiples descargas de relámpagos en aire despejado poco después de la detonación del dispositivo. [ 32 ]

Algunos rayos cósmicos de alta energía producidos por supernovas, así como partículas solares del viento solar, entran en la atmósfera y electrifican el aire, lo que puede crear vías para los canales de los rayos. [ 33 ]

separación de carga

Separación de cargas en tormentas eléctricas

(Figura 1) La principal zona de carga en una tormenta eléctrica se produce en la parte central de la tormenta, donde el aire se mueve rápidamente hacia arriba (corriente ascendente) y las temperaturas oscilan entre -15 y -25 °C (5 y -13 °F) .  
(Figura 2) Cuando los cristales de hielo ascendentes chocan con el granizo blando, los cristales de hielo se cargan positivamente y el granizo blando se carga negativamente.
La parte superior de la nube de tormenta se carga positivamente, mientras que la parte media e inferior de la nube se carga negativamente.

Los científicos aún estudian los detalles del proceso de carga, pero existe un consenso general sobre algunos de los conceptos básicos de la separación de carga en las tormentas eléctricas, también conocida como electrificación. La electrificación puede producirse por el efecto triboeléctrico, que da lugar a la transferencia de electrones o iones entre cuerpos que colisionan.

La principal zona de carga en una tormenta eléctrica se produce en la parte central de la misma, donde el aire asciende rápidamente (corriente ascendente) y las temperaturas oscilan entre -15 y -25 °C (5 y -13 °F) ; véase la Figura 1. En esa zona, la combinación de temperatura y el rápido ascenso del aire produce una mezcla de gotitas de nube subenfriadas (pequeñas gotas de agua por debajo del punto de congelación), pequeños cristales de hielo y granizo blando. La corriente ascendente transporta hacia arriba las gotitas de nube subenfriadas y los cristales de hielo muy pequeños. Al mismo tiempo, el granizo blando, que es considerablemente más grande y denso, tiende a caer o a quedar suspendido en el aire ascendente. [ 34 ]  

Las diferencias en el movimiento de las partículas de la nube provocan colisiones. Cuando los cristales de hielo ascendentes chocan con el granizo, los cristales de hielo se cargan positivamente y el granizo negativamente; véase la Figura 2. La corriente ascendente transporta los cristales de hielo cargados positivamente hacia la parte superior de la nube de tormenta. El granizo, más grande y denso, queda suspendido en el centro de la nube o cae hacia la parte inferior. [ 34 ] Normalmente, la parte superior de la nube de tormenta se carga positivamente, mientras que la parte media e inferior se carga negativamente. [ 34 ] [ 35 ] Este proceso de separación de carga, como resultado de las colisiones de partículas de la nube, se conoce como mecanismo de carga no inductiva . [ 36 ]

Los movimientos ascendentes dentro de la tormenta y los vientos en niveles superiores de la atmósfera tienden a causar que los pequeños cristales de hielo (y la carga positiva) en la parte superior de la nube de tormenta se dispersen horizontalmente a cierta distancia de la base de la nube. Esta parte de la nube de tormenta se denomina yunque. Si bien este es el principal proceso de carga de la nube de tormenta, parte de estas cargas pueden redistribuirse por los movimientos del aire dentro de la tormenta (corrientes ascendentes y descendentes). Además, existe una pequeña pero importante acumulación de carga positiva cerca de la base de la nube de tormenta debido a la precipitación y las temperaturas más cálidas. [ 34 ] Las regiones de carga positiva-negativa-positiva ocurren comúnmente en tormentas maduras y se denominan estructura de carga tripolar . [ 36 ]

También existen otros procesos de carga que pueden influir en las tormentas eléctricas, pero generalmente se consideran menos importantes. Se ha estudiado un mecanismo de carga inductiva , que surgiría de la polarización de las gotitas de las nubes en presencia del campo eléctrico propio de un día despejado . [ 36 ] Asimismo, se ha afirmado que las gotas de agua sin carga que colisionan pueden cargarse debido a la transferencia de carga entre ellas (como iones acuosos) en un campo eléctrico como el que existe en una tormenta eléctrica . [ 37 ]

La separación inducida de carga en agua líquida pura se conoce desde la década de 1840, al igual que la electrificación del agua líquida pura por el efecto triboeléctrico. [ 38 ] William Thomson (Lord Kelvin) demostró que la separación de carga en el agua ocurre en los campos eléctricos habituales en la superficie de la Tierra y desarrolló un dispositivo de medición de campo eléctrico continuo utilizando ese conocimiento. [ 39 ] Kelvin demostró la separación física de carga en diferentes regiones utilizando agua líquida con el gotero de agua de Kelvin . Se consideró que las especies portadoras de carga más probables eran el ion hidrógeno acuoso y el ion hidróxido acuoso. [ 40 ] Un electrón no es estable en agua líquida con respecto a un ion hidróxido más hidrógeno disuelto para las escalas de tiempo involucradas en las tormentas eléctricas. [ 41 ] También se ha considerado la carga eléctrica del hielo de agua sólido. Nuevamente se consideró que las especies cargadas eran el ion hidrógeno y el ion hidróxido. [ 42 ] [ 43 ]

Establecer un campo eléctrico

Para que se produzca una descarga electrostática , se requieren dos condiciones previas: primero, debe existir una diferencia de potencial suficientemente alta entre dos regiones del espacio; y segundo, un medio de alta resistencia debe impedir la igualación libre y sin obstáculos de las cargas opuestas. La atmósfera proporciona el aislamiento eléctrico, o barrera, que impide la igualación libre entre regiones cargadas de polaridad opuesta. Por otro lado, una tormenta eléctrica puede proporcionar la separación y agregación de cargas en ciertas regiones de la nube. [ 44 ]

Cuando el campo eléctrico local supera la rigidez dieléctrica del aire húmedo (aproximadamente 3 MV/m), la descarga eléctrica produce un rayo , a menudo seguido de descargas proporcionales que se ramifican desde el mismo camino. Los mecanismos que causan la acumulación de cargas hasta producir un rayo siguen siendo objeto de investigación científica. [ 45 ] [ 46 ] Un estudio de 2016 confirmó que la ruptura dieléctrica está involucrada. [ 47 ] Los rayos pueden ser causados ​​por la circulación de aire cálido y húmedo a través de campos eléctricos . [ 48 ] Las partículas de hielo o agua acumulan entonces carga como en un generador Van de Graaff . [ 49 ]

Cuando una nube de tormenta se desplaza sobre la superficie terrestre, se induce una carga eléctrica igual , pero de polaridad opuesta, en la superficie terrestre bajo la nube. Esta carga superficial positiva inducida, medida con respecto a un punto fijo, será pequeña a medida que la nube de tormenta se acerca, aumentará al llegar al centro de la tormenta y disminuirá al pasar la nube. El valor de referencia de la carga superficial inducida puede representarse aproximadamente mediante una curva de campana.

Las regiones con cargas opuestas generan un campo eléctrico en el aire entre ellas. Este campo eléctrico varía en función de la intensidad de la carga superficial en la base de la nube de tormenta: cuanto mayor sea la carga acumulada, mayor será el campo eléctrico.

Descarga eléctrica en forma de destellos y descargas

El portador de carga en un rayo son principalmente electrones en un plasma. [ 50 ] El proceso de pasar de la carga como iones (ión de hidrógeno positivo e ión hidróxido negativo) asociados con agua líquida o sólida a la carga como electrones asociados con el rayo debe implicar alguna forma de electroquímica, es decir, la oxidación y/o la reducción de especies químicas. [ 51 ]

La forma de rayo mejor estudiada y comprendida es el rayo nube-tierra (CG). Si bien son más comunes, los rayos intra-nube (IC) y nube-nube (CC) son difíciles de estudiar debido a la falta de puntos fijos para monitorear dentro de las nubes. Además, debido a la bajísima probabilidad de que un rayo impacte repetidamente y de forma constante en el mismo punto, la investigación científica resulta difícil incluso en áreas con alta frecuencia de rayos CG.

Líderes relámpago

Un líder descendente viaja hacia la tierra, ramificándose a medida que avanza.
Rayo provocado por la conexión de dos líderes, el positivo se muestra en azul y el negativo en rojo.

En un proceso aún no del todo comprendido, se inicia un canal bidireccional de aire ionizado , denominado " líder ", entre regiones de carga opuesta en una nube de tormenta. Los líderes son canales conductores de gas ionizado que se propagan a través de regiones con carga opuesta a la de su extremo, o que son atraídos por ellas. El extremo negativo del líder bidireccional llena una región de carga positiva, también llamada pozo, dentro de la nube, mientras que el extremo positivo llena un pozo de carga negativa. Los líderes suelen dividirse, formando ramificaciones con una estructura similar a la de un árbol. [ 52 ] Además, los líderes negativos y algunos positivos se desplazan de forma discontinua, en un proceso denominado "paso a paso". El movimiento brusco resultante de los líderes puede observarse fácilmente en vídeos a cámara lenta de relámpagos.

Es posible que un extremo del líder llene por completo el pozo de carga opuesta mientras el otro extremo permanece activo. Cuando esto ocurre, el extremo del líder que llenó el pozo puede propagarse fuera de la nube de tormenta y generar un rayo nube-aire o nube-tierra. En un rayo nube-tierra típico, un líder bidireccional se inicia entre las regiones de carga negativa principal y positiva inferior de la nube de tormenta. La región de carga positiva más débil se llena rápidamente con el líder negativo, que luego se propaga hacia el suelo cargado inductivamente.

Los líderes con carga positiva y negativa se mueven en direcciones opuestas: el positivo hacia arriba dentro de la nube y el negativo hacia la Tierra. Ambos canales iónicos avanzan en sus respectivas direcciones mediante una serie de impulsos sucesivos. Cada líder acumula iones en sus puntas, expulsando uno o más líderes nuevos, volviendo a acumularlos momentáneamente para concentrar los iones cargados y luego expulsando otro líder. El líder negativo continúa propagándose y dividiéndose a medida que desciende, acelerando frecuentemente al acercarse a la superficie terrestre.

Aproximadamente el 90 % de las longitudes de los canales iónicos entre "pozas" son de aproximadamente 45 m (148 pies) de longitud. [ 53 ] El establecimiento del canal iónico lleva un tiempo relativamente largo (cientos de milisegundos ) en comparación con la descarga resultante, que ocurre en unas pocas decenas de microsegundos. La corriente eléctrica necesaria para establecer el canal, medida en decenas o cientos de amperios , es insignificante en comparación con las corrientes posteriores durante la descarga propiamente dicha.  

La iniciación del líder del rayo no se comprende bien. La intensidad del campo eléctrico dentro de la nube de tormenta no suele ser lo suficientemente grande como para iniciar este proceso por sí sola. [ 54 ] Se han propuesto muchas hipótesis. Una hipótesis postula que las lluvias de electrones relativistas son creadas por rayos cósmicos y luego se aceleran a velocidades más altas a través de un proceso llamado ruptura desbocada . A medida que estos electrones relativistas colisionan e ionizan moléculas de aire neutras, inician la formación del líder. Otra hipótesis implica la formación de campos eléctricos localmente intensificados cerca de gotas de agua alargadas o cristales de hielo. [ 55 ] La teoría de la percolación , especialmente para el caso de percolación sesgada, [ 56 ] describe fenómenos de conectividad aleatoria, que producen una evolución de estructuras conectadas similar a la de los rayos. Un modelo de avalancha de serpentinas [ 57 ] ha sido favorecido recientemente por datos de observación tomados por LOFAR durante tormentas. [ 58 ] [ 59 ]

serpentinas ascendentes

Cuando un líder escalonado se acerca al suelo, la presencia de cargas opuestas en el suelo aumenta la intensidad del campo eléctrico . El campo eléctrico es más fuerte en los objetos conectados a tierra cuyas cimas están más cerca de la base de la nube de tormenta, como árboles y edificios altos. Si el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte, puede desarrollarse un canal iónico con carga positiva, llamado descarga positiva o ascendente , desde estos puntos. Esta teoría fue propuesta por primera vez por Heinz Kasemir. [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]

A medida que se aproximan los líderes con carga negativa, aumentando la intensidad del campo eléctrico localizado, los objetos conectados a tierra que ya experimentan una descarga de corona superarán un umbral y formarán filamentos ascendentes.

Adjunto

Una vez que un líder descendente se conecta a un líder ascendente disponible, un proceso denominado fijación, se forma un camino de baja resistencia y puede producirse una descarga. Se han tomado fotografías en las que se observan claramente filamentos no fijados. Los líderes descendentes no fijados también son visibles en rayos ramificados, ninguno de los cuales está conectado a tierra, aunque pueda parecerlo. Los vídeos de alta velocidad pueden mostrar el proceso de fijación en curso. [ 63 ]

Descarga – Carrera de retorno

Fotografía de alta velocidad que muestra diferentes partes de un relámpago durante el proceso de descarga, tal como se observa en Toulouse , Francia.

Una vez que un canal conductor une el espacio de aire entre el exceso de carga negativa en la nube y el exceso de carga positiva en la superficie inferior, se produce una gran caída de resistencia a través del canal del rayo. Como resultado, los electrones se aceleran rápidamente en una zona que comienza en el punto de contacto y se expande por toda la red de líderes a una velocidad de hasta un tercio de la velocidad de la luz. [ 64 ] Este es el "descarga de retorno" y es la parte más luminosa y visible de la descarga del rayo.

Una gran carga eléctrica fluye a lo largo del canal de plasma, desde la nube hasta el suelo, neutralizando la carga positiva del suelo a medida que los electrones fluyen desde el punto de impacto hacia el área circundante. Esta enorme sobretensión crea grandes diferencias de voltaje radiales a lo largo de la superficie del suelo. Llamadas potenciales de escalón, son responsables de más lesiones y muertes en grupos de personas u otros animales que el propio impacto. [ 65 ] La electricidad toma todos los caminos disponibles. [ 66 ] Tales potenciales de escalón a menudo harán que la corriente fluya a través de una pierna y salga por la otra, electrocutando a una persona o animal desafortunado que se encuentre cerca del punto donde cae el rayo.

La corriente eléctrica del rayo de retorno tiene un promedio de 30 kiloamperios para un rayo CG negativo típico, a menudo denominado rayo "CG negativo". En algunos casos, un rayo de tierra a nube (GC) puede originarse en una región cargada positivamente en el suelo debajo de una tormenta. Estas descargas normalmente se originan en la parte superior de estructuras muy altas, como antenas de comunicaciones. Se ha encontrado que la velocidad a la que viaja la corriente del rayo de retorno es de alrededor de 100 000  km/s (un tercio de la velocidad de la luz). [ 67 ] Un rayo típico de nube a tierra culmina en la formación de un canal de plasma conductor de electricidad a través del aire de más de 5 km (3,1 mi) de altura, desde el interior de la nube hasta la superficie del suelo. [ 68 ]  

El flujo masivo de corriente eléctrica que ocurre durante la carrera de retorno combinado con la velocidad a la que ocurre (medida en microsegundos) sobrecalienta rápidamente el canal líder completado, formando un canal de plasma altamente conductor de electricidad. La temperatura central del plasma durante la carrera de retorno puede superar los 27 800 °C (50 000 °F) [ 69 ] , lo que hace que irradie con un brillante color blanco azulado. Una vez que la corriente eléctrica deja de fluir, el canal se enfría y se disipa en decenas o cientos de milisegundos, a menudo desapareciendo como parches fragmentados de gas incandescente. El calentamiento casi instantáneo durante la carrera de retorno hace que el aire se expanda explosivamente, produciendo una poderosa onda de choque que se escucha como un trueno .  

Descarga – Reapertura

Los vídeos de alta velocidad (examinados fotograma a fotograma) muestran que la mayoría de los relámpagos CG negativos están compuestos por 3 o 4 descargas individuales, aunque puede haber hasta 30. [ 70 ]

Cada reimpulso está separado por un intervalo de tiempo relativamente grande, típicamente de 40 a 50 milisegundos, ya que otras regiones cargadas en la nube se descargan en descargas posteriores. Los reimpulsos a menudo causan un notable efecto de " luz estroboscópica ". [ 71 ]

Para comprender por qué múltiples descargas de retorno utilizan el mismo canal de rayo, es necesario entender el comportamiento de los líderes positivos, en los que se convierte un típico rayo de tierra tras la conexión del líder negativo con la tierra. Los líderes positivos se disipan más rápidamente que los negativos. Por razones aún no del todo claras, los líderes bidireccionales tienden a iniciarse en las puntas de los líderes positivos disipados, donde el extremo negativo intenta reionizar la red de líderes. Estos líderes, también llamados líderes de retroceso , suelen disiparse poco después de su formación. Cuando logran contactar con una porción conductora de la red principal de líderes, se produce un proceso similar a una descarga de retorno y un líder en forma de dardo recorre toda o una parte de la longitud del líder original. La conexión de estos líderes en forma de dardo con la tierra es la causa de la mayoría de las descargas de retorno posteriores. [ 72 ]

Cada golpe sucesivo está precedido por golpes intermedios de guía de dardo que tienen un tiempo de ascenso más rápido pero una amplitud menor que el golpe de retorno inicial. Cada golpe subsiguiente generalmente reutiliza el canal de descarga tomado por el anterior, pero el canal puede estar desplazado de su posición anterior a medida que el viento desplaza el canal caliente. [ 73 ]

Dado que los procesos de retroceso y guía de dardo no ocurren en guías negativas, los golpes de retorno subsiguientes rara vez utilizan el mismo canal en destellos de tierra positivos, que se explican más adelante en el artículo. [ 72 ]

Descarga – Corrientes transitorias durante el destello

La corriente eléctrica dentro de una descarga típica de rayo CG negativa aumenta muy rápidamente hasta su valor máximo en 1–10 microsegundos, luego decae más lentamente en 50–200 microsegundos. La naturaleza transitoria de la corriente dentro de un rayo produce varios fenómenos que deben abordarse para la protección efectiva de estructuras terrestres. Las corrientes que cambian rápidamente (alternas) tienden a viajar por la superficie de un conductor, en lo que se llama efecto piel , a diferencia de las corrientes continuas, que "fluyen" a través de todo el conductor como el agua a través de una manguera. Por lo tanto, los conductores utilizados en la protección de instalaciones tienden a ser multifilares, con pequeños alambres entrelazados. Esto aumenta el área superficial total del haz en proporción inversa al radio del hilo individual, para un área de sección transversal total fija .

Las corrientes que cambian rápidamente también crean pulsos electromagnéticos (EMP) que se irradian hacia afuera desde el canal iónico. Esta es una característica de todas las descargas eléctricas. Los pulsos irradiados se debilitan rápidamente a medida que aumenta su distancia del origen. Sin embargo, si pasan sobre elementos conductores como líneas eléctricas, líneas de comunicación o tuberías metálicas, pueden inducir una corriente que viaja hacia afuera hasta su terminación. La corriente de sobretensión es inversamente proporcional a la impedancia de sobretensión: a mayor impedancia, menor corriente. [ 74 ] Esta es la sobretensión que, con frecuencia, provoca la destrucción de equipos electrónicos delicados , electrodomésticos o motores eléctricos . Los dispositivos conocidos como protectores contra sobretensiones (SPD) o supresores de sobretensiones transitorias (TVSS) conectados en paralelo con estas líneas pueden detectar la corriente transitoria irregular del rayo y, mediante la alteración de sus propiedades físicas, dirigir el pico a una toma de tierra conectada , protegiendo así el equipo de daños.

Distribución, frecuencia y propiedades

Datos obtenidos entre abril de 1995 y febrero de 2003 del Detector Óptico de Transitorios de la NASA , que muestran sensores espaciales revelando la distribución desigual de los rayos en todo el mundo.
Un megadestello de 768 km (477 millas) desde Texas hasta Luisiana, en los Estados Unidos. [ 75 ]  

El monitoreo global indica que los relámpagos en la Tierra ocurren con una frecuencia promedio de aproximadamente 44  (±  5) veces por segundo, lo que equivale a casi 1.4 mil millones de destellos por año. [ 76 ] La duración media es de 0.52 segundos [ 77 ] compuesta por una serie de destellos (descargas) mucho más cortos de alrededor de 60 a 70 microsegundos . [ 78 ] Las ocurrencias se distribuyen de manera desigual en el planeta, con aproximadamente el 70% sobre tierra en los trópicos [ 79 ] donde la convección atmosférica es mayor.

Muchos factores influyen en la frecuencia, distribución, intensidad y propiedades físicas de un rayo típico en una región determinada del mundo. Estos factores incluyen la altitud, la latitud , las corrientes de viento predominantes , la humedad relativa y la proximidad a masas de agua cálidas y frías.

Los relámpagos suelen ser producidos por nubes cumulonimbus , cuyas bases se encuentran normalmente a 1-2 km (0,62-1,24 millas) sobre el suelo y cuyas cimas alcanzan hasta 15 km (9,3 millas) de altura.    

Un rayo capturado a 240 FPS durante una fuerte tormenta eléctrica en Mango Hill, Australia.

En general, los rayos nube-tierra representan solo el 25 % del total de rayos en todo el mundo. Las proporciones de rayos intra-nube, nube-nube y nube-tierra también pueden variar según la estación y la latitud. [ 80 ] [ 81 ] En los trópicos, donde el nivel de congelación es generalmente más alto en la atmósfera, solo el 10 % de los rayos son nube-tierra. A la latitud de Noruega (alrededor de 60° latitud norte), donde la elevación de congelación es menor, el 50 % de los rayos son nube-tierra. [ 82 ] [ 83 ]

Múltiples rayos cayeron en Polonia en agosto de 2020.

El lugar de la Tierra donde ocurren rayos con mayor frecuencia es sobre el lago de Maracaibo , donde el fenómeno de rayos del Catatumbo produce 250 rayos al día. [ 84 ] Esta actividad ocurre en promedio, 297 días al año. [ 85 ] La segunda mayor densidad de rayos se encuentra cerca del pueblo de Kifuka en las montañas del este de la República Democrática del Congo, [ 86 ] donde la elevación es de alrededor de 975 m (3200 pies) . En promedio, esta región recibe 158 rayos por kilómetro cuadrado por año (410/ milla cuadrada/año) . [ 87 ] Otros puntos calientes de rayos incluyen Singapur [ 88 ] y Lightning Alley en Florida Central. [ 89 ] [ 90 ]   

Investigadores de la Universidad de Florida descubrieron que las velocidades unidimensionales finales de 10 destellos observados estaban entre 1,0 × 105 y 1,4 × 106 m/s, con un promedio de 4,4 × 105 m/s. [ 91 ]

Megadestellos

Un rayo inusualmente largo a veces se llama megadestello . La Sociedad Meteorológica Estadounidense define un megadestello como "un rayo continuo de mesoescala con una longitud de trayectoria horizontal de aproximadamente 100 km o más". Debido a su gran distancia, la duración de un megadestello también es larga, típicamente más de cinco segundos. [ 92 ] Los megadestellos son causados ​​por nubes electrificadas extensas que se descargan lentamente; estas no ocurren en tormentas eléctricas ordinarias, solo en sistemas convectivos de mesoescala . Hasta 2022, los megadestellos se habían observado solo en las Grandes Llanuras de América del Norte y la Cuenca del Río de la Plata de América del Sur. [ 75 ] Esto se debe, en parte, a que solo una parte del mundo se observa con el tipo de instrumento satelital necesario para detectar megadestellos. El lanzamiento del satélite Meteosat de tercera generación en 2022 aumentó esa cobertura para incluir África y Europa.

Según la Organización Meteorológica Mundial , el 29 de abril de 2020 se observó un rayo de 768  km (477,2 mi) de longitud en el sur de Estados Unidos, sesenta km (37 mi) más largo que el récord de distancia anterior (sur de Brasil, 31 de octubre de 2018). Un solo relámpago en Uruguay y el norte de Argentina el 18 de junio de 2020 duró 17,1 segundos, 0,37 segundos más que el récord anterior (4 de marzo de 2019, también en el norte de Argentina). [ 93 ] En 2025, los científicos descubrieron que el relámpago más largo observado ocurrió en octubre de 2017 en Texas y Kansas, midiendo 829 km (515 mi). [ 94 ] [ 95 ] El relámpago, que fue detectado por el Mapeador de Relámpagos Geoestacionario de la NOAA, tocó tierra en cinco estados. [ 96 ]    

Extraterrestre

Se han observado relámpagos en las atmósferas de planetas distintos de la Tierra, como Júpiter , Saturno [ 97 ] y probablemente Urano y Neptuno [ 97 ] . Los relámpagos en Júpiter son mucho más energéticos que en la Tierra, a pesar de que aparentemente se generan mediante el mismo mecanismo. Recientemente, se detectó un nuevo tipo de relámpago en Júpiter, que se cree que se origina a partir de "bolas de barro" que incluyen amoníaco [ 98 ] . En Saturno, la misión Voyager 1 descubrió relámpagos, inicialmente denominados "Descarga Electrostática de Saturno" [ 97 ] .

Los relámpagos en Venus han sido un tema controvertido tras décadas de estudio. Durante las misiones soviéticas Venera y estadounidenses Pioneer de las décadas de 1970 y 1980, se detectaron señales que sugerían la posible presencia de relámpagos en la atmósfera superior. [ 99 ] El breve sobrevuelo de Venus por la misión Cassini-Huygens en 1999 no detectó indicios de relámpagos, pero los pulsos de radio registrados por la nave espacial Venus Express (que comenzó a orbitar Venus en abril de 2006) podrían tener su origen en relámpagos en Venus. [ 100 ]

En 2025, los investigadores informaron de la supuesta detección de rayos en Marte por un micrófono del rover Perseverance de la misión Mars 2020. [ 101 ] [ 102 ] Investigadores anteriores, en 2009 , habían informado de la detección de eventos de descarga eléctrica a gran escala en Marte, pero investigadores posteriores no pudieron reproducir sus hallazgos. [ 103 ]

Efectos

Un rayo puede desencadenar diversos efectos, algunos temporales, como la emisión muy breve de luz, sonido y radiación electromagnética, y otros duraderos, como la muerte, daños y cambios atmosféricos y ambientales.

Lesiones, daños y destrucción

La inmensa cantidad de energía que se transfiere en un rayo puede tener efectos potencialmente devastadores en multitud de áreas.

A la naturaleza

Corteza arrancada de un abedul por la presión explosiva del vapor entre el tronco y la corteza provocada por un rayo.
Una marca de impacto en el tronco de un nogal negro en Oklahoma.

Los objetos alcanzados por un rayo experimentan calor y fuerzas magnéticas de gran magnitud. En consecuencia:

  • El calor generado por las corrientes de un rayo que viajan a través de un árbol puede vaporizar su savia, provocando una explosión de vapor que arranca la corteza o incluso revienta el tronco.
  • De manera similar, el agua en una roca fracturada puede calentarse rápidamente de tal forma que se separe aún más. [ 104 ] [ 105 ]
  • Un árbol alcanzado por un rayo puede incendiarse o provocar un incendio forestal . Véase también el rayo de fuego más abajo.
  • Cuando un rayo viaja a través de suelo arenoso, el suelo que rodea el canal de plasma puede derretirse, formando estructuras tubulares llamadas fulguritas .

A las estructuras hechas por el hombre y su contenido

Los edificios o estructuras altas alcanzados por un rayo pueden sufrir daños, ya que el rayo busca un camino sin obstáculos hacia el suelo. Al conducir de forma segura un rayo a tierra, un sistema de protección contra rayos, que generalmente incorpora al menos un pararrayos , puede reducir considerablemente la probabilidad de daños materiales graves. Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) pueden utilizarse adicionalmente o como alternativa para ayudar a proteger las instalaciones eléctricas de las sobretensiones inducidas por rayos, que corren el riesgo de dañar o destruir equipos eléctricos o provocar incendios. Los incendios eléctricos amenazan no solo las estructuras, sino también todos los bienes, pertenencias personales y seres vivos (personas, mascotas y ganado) que se encuentren en su interior. El sistema de protección que requiere un edificio o estructura, si es que requiere alguno, se determina mediante una evaluación de riesgos. Las amenazas a las estructuras provienen no solo de impactos directos en la estructura misma, sino también de impactos directos o indirectos en servicios conductores de electricidad conectados (líneas eléctricas, líneas de comunicación, tuberías de agua/gas), o incluso en el área circundante desde donde una sobretensión puede alcanzar una conexión de servicio al propagarse hacia el suelo.

A los aviones

Las aeronaves son muy susceptibles a ser alcanzadas por rayos debido a sus fuselajes metálicos, pero los rayos generalmente no representan un peligro para ellas. [ 106 ] Debido a las propiedades conductoras de la aleación de aluminio , el fuselaje actúa como una jaula de Faraday . Las aeronaves actuales están construidas para ser seguras contra los rayos y, por lo general, los pasajeros ni siquiera se dan cuenta de que ha ocurrido. Sin embargo, se sospecha que los rayos pueden encender el vapor de combustible y causar una explosión, y que un rayo cercano puede cegar momentáneamente al piloto y causar errores permanentes en las brújulas magnéticas . [ 107 ]

A los seres vivos

Aunque el 90 por ciento de las personas alcanzadas por un rayo sobreviven, [ 108 ] los humanos y otros animales alcanzados por un rayo pueden sufrir lesiones graves debido a daños en los órganos internos y el sistema nervioso.

Ruido (trueno)

Debido a que la descarga electrostática de un rayo terrestre sobrecalienta el aire a temperaturas de plasma a lo largo del canal de descarga en un corto período de tiempo, la teoría cinética dicta que las moléculas gaseosas experimentan un rápido aumento de presión y, por lo tanto, se expanden hacia afuera del rayo, creando una onda de choque audible como trueno. Dado que las ondas sonoras se propagan no desde una única fuente puntual, sino a lo largo de la trayectoria del rayo, las distancias variables del origen del sonido con respecto al observador pueden generar un efecto de retumbo o estruendo. La percepción de las características sonoras se complica aún más por factores como la geometría irregular y posiblemente ramificada del canal del rayo, por el eco acústico del terreno y por la característica de descarga múltiple habitual del rayo. [ 109 ] El trueno se escucha como un retumbo rodante que se disipa gradualmente porque el sonido de diferentes partes de una descarga larga llega en momentos ligeramente diferentes. [ 110 ]

Los relámpagos a una distancia suficiente pueden verse pero no oírse; hay datos que indican que una tormenta eléctrica puede verse a más de 160 km (100 millas) mientras que el trueno viaja unos 32 km (20 millas) . Anecdóticamente, hay muchos ejemplos de personas que describen una "tormenta justo encima" o "a su alrededor" y, sin embargo, "sin truenos". Dado que las nubes de tormenta pueden alcanzar hasta 20 km (12 millas) de altura, [ 111 ] los relámpagos que se producen en lo alto de la nube pueden parecer cercanos, pero en realidad están demasiado lejos para producir truenos perceptibles.   

El truco de aproximación de distancia

La luz viaja a unos 300.000.000 m/s (980.000.000 ft/s) , mientras que el sonido solo viaja por el aire a unos 343 m/s (1.130 ft/s) . Un observador puede aproximar la distancia al rayo midiendo el intervalo entre el relámpago visible y el trueno audible que genera. Un relámpago que precede al trueno por un segundo estaría a unos 343 m (0,213 millas) de distancia; por lo tanto, un retraso de tres segundos indicaría una distancia de aproximadamente 1 km (0,62 millas) ; mientras que un relámpago que precede al trueno por cinco segundos indicaría una distancia de aproximadamente 1 milla (1,6 km) . En consecuencia, un rayo observado a una distancia muy cercana irá acompañado de un trueno repentino, casi sin lapso de tiempo perceptible, posiblemente acompañado del olor a ozono (O₃ ) .       

Radiación electromagnética e interferencia

Las ondas electromagnéticas se emiten en diversas longitudes de onda, la más evidente la de la luz visible: el gran destello brillante. Esta radiación emitida se debe en parte a la radiación de cuerpo negro, causada por el aumento de temperatura provocado por la resistencia eléctrica del aire, [ 112 ] y en parte a otras razones que aún se investigan activamente. [ 113 ]

radiación de radiofrecuencia

Las descargas de rayos generan ondas electromagnéticas de radiofrecuencia que pueden recibirse a miles de kilómetros de su fuente. La descarga en sí es una fuente dipolar relativamente simple y de corta duración que crea un único pulso electromagnético con una duración de aproximadamente 1 ms y una amplia densidad espectral. En ausencia de materiales con propiedades de interacción magnética o eléctrica en el entorno cercano , a grandes distancias en una zona de campo lejano , la onda electromagnética será proporcional a la segunda derivada de la corriente de descarga. [ 114 ] Esto es lo que sucede con las descargas a gran altitud o las descargas sobre áreas de tierra seca. En otros casos, el entorno circundante modificará la forma de la señal de la fuente absorbiendo parte de su espectro y convirtiéndolo en calor o retransmitiéndolo como ondas electromagnéticas modificadas. [ 115 ]

Radiación de alta energía

La producción de rayos X por un rayo fue predicha ya en 1925 por CTR Wilson . [ 116 ] No se encontró evidencia hasta 2001-2002, [ 117 ] [ 118 ] [ 119 ] cuando investigadores del Instituto de Minería y Tecnología de Nuevo México detectaron emisiones de rayos X de un rayo inducido a lo largo de un cable conectado a tierra que seguía a un cohete disparado hacia una nube de tormenta. En el mismo año, investigadores de la Universidad de Florida y Florida Tech utilizaron una matriz de detectores de campo eléctrico y rayos X en una instalación de investigación de rayos en el norte de Florida para confirmar que los rayos naturales producen rayos X en grandes cantidades durante la propagación de líderes escalonados. La causa de las emisiones de rayos X se dejó como un asunto para futuras investigaciones, ya que la temperatura del rayo es demasiado baja para explicar los rayos X observados. [ 120 ] [ 121 ] El mecanismo de avalancha de electrones relativistas desbocados explica tanto la emisión de rayos X como el inicio de los destellos de rayos. [ 122 ] [ 123 ] [ 124 ] [ 125 ]

Varias observaciones realizadas por telescopios espaciales han revelado emisiones de rayos gamma de energía aún mayor , los llamados destellos de rayos gamma terrestres (TGF). Estas observaciones supusieron un desafío para las teorías vigentes sobre los rayos, especialmente con el descubrimiento en la década de 2000 de claras señales de antimateria producida en los rayos. [ 126 ] Investigaciones realizadas en la década de 2010 han demostrado que las especies secundarias producidas por estos TGF, como electrones , positrones , neutrones o protones , pueden alcanzar energías de hasta varias decenas de MeV. [ 127 ] [ 128 ]

Cambios ambientales

Entre los cambios ambientales más permanentes o de mayor duración se incluyen los siguientes.

Química atmosférica

Las altísimas temperaturas generadas por los rayos provocan aumentos locales significativos de ozono y óxidos de nitrógeno . Cada descarga eléctrica en zonas templadas y subtropicales produce, en promedio, 7  kg de NO x . [ 129 ] En la troposfera , el efecto de los rayos puede aumentar el NO x en un 90 % y el ozono en un 30 %. [ 130 ]

Fertilización del suelo

Los rayos desempeñan un papel importante en el ciclo del nitrógeno al oxidar el nitrógeno diatómico del aire en nitratos que son depositados por la lluvia y pueden fertilizar el crecimiento de las plantas y otros organismos. [ 131 ] [ 132 ]

Magnetismo permanente inducido

El movimiento de cargas eléctricas produce un campo magnético (véase electromagnetismo ). Las intensas corrientes de una descarga eléctrica crean un campo magnético fugaz pero muy fuerte. Cuando la corriente del rayo atraviesa roca, suelo o metal, estos materiales pueden magnetizarse permanentemente. Este efecto se conoce como magnetismo remanente inducido por rayos (MRI). Estas corrientes siguen el camino de menor resistencia, a menudo horizontalmente cerca de la superficie [ 133 ] [ 134 ] , pero a veces verticalmente, donde fallas, yacimientos minerales o aguas subterráneas ofrecen un camino de menor resistencia. [ 135 ] Una teoría sugiere que las magnetitas , imanes naturales encontrados en la antigüedad, se crearon de esta manera. [ 136 ]

Las anomalías magnéticas inducidas por rayos pueden cartografiarse en el suelo, [ 137 ] [ 138 ] y el análisis de materiales magnetizados puede confirmar que el rayo fue la fuente de la magnetización [ 139 ] y proporcionar una estimación de la corriente máxima de la descarga del rayo. [ 140 ]

alucinaciones magnéticas

Una investigación realizada en la Universidad de Innsbruck ha calculado que los campos magnéticos generados por el plasma pueden inducir alucinaciones en sujetos ubicados a menos de 200 m (660 pies) de una tormenta eléctrica severa, de forma similar a los efectos de la estimulación magnética transcraneal (EMT). [ 141 ]  

Detección y monitoreo

Contador de rayos en un museo

El primer detector inventado para advertir de la proximidad de una tormenta eléctrica fue el detector de rayos . Benjamin Franklin instaló uno de estos dispositivos en su casa. [ 142 ] [ 143 ] El detector se basaba en un dispositivo electrostático llamado «campanillas eléctricas», inventado por Andrew Gordon en 1742.

Las descargas eléctricas generan una amplia gama de radiaciones electromagnéticas, incluyendo pulsos de radiofrecuencia. La guía de ondas Tierra-ionosfera atrapa las ondas electromagnéticas VLF y ELF . Los pulsos electromagnéticos transmitidos por los rayos se propagan dentro de esta guía de ondas. La guía de ondas es dispersiva, lo que significa que su velocidad de grupo depende de la frecuencia. La diferencia del retardo de tiempo de grupo de un pulso de rayo en frecuencias adyacentes es proporcional a la distancia entre el transmisor y el receptor. Junto con los métodos de localización de dirección, esto permite ubicar rayos a distancias de hasta 10 000  km de su origen. Además, las autofrecuencias de la guía de ondas Tierra-ionosfera, las resonancias de Schumann a aproximadamente 7,5  Hz, se utilizan para determinar la actividad global de tormentas eléctricas. [ 144 ]

Varios países han instalado redes nacionales de detectores de rayos. El gobierno federal de Estados Unidos ha construido una red nacional de dichos detectores, lo que permite rastrear las descargas eléctricas en tiempo real en todo el territorio continental estadounidense [ 145 ] [ 146 ]. La red de detección EUCLID es una combinación de varias redes nacionales en Europa. [ 147 ]. Otros ejemplos de países con redes de detección de rayos son India y Brasil. [ 148 ] [ 149 ].

Existen diversas redes de detección globales, que varían en sus principios comerciales y académicos. Blitzortung (un sistema de detección global privado que consta de más de 500 estaciones de detección propiedad de aficionados y operadas por ellos mismos/voluntarios) proporciona mapas de rayos casi en tiempo real. [ 150 ] La World Wide Lightning Location Network (WWLLN) es un sistema de detección dirigido por académicos. [ 151 ] La red Vaisala GLD360 es una empresa privada. [ 152 ]

Además de la detección de rayos terrestres, se han construido varios instrumentos a bordo de satélites para observar la distribución de los rayos. Algunas de las primeras observaciones basadas en satélites se realizaron a finales de la década de 1970. [ 153 ] La climatología global y tropical a largo plazo de los rayos ha sido observada por el Detector Óptico Transitorio (OTD), a bordo del satélite OrbView-1 lanzado el 3 de abril de 1995, y el posterior Sensor de Imágenes de Rayos (LIS) a bordo del TRMM lanzado el 28 de noviembre de 1997. [ 154 ] [ 155 ] [ 156 ] Además, la ISS llevó un instrumento LIS durante tres años a partir de marzo de 2017. [ 157 ]

A partir de 2016, la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) lanzó los satélites meteorológicos Geostationary Operational Environmental Satellite–R Series (GOES-R) equipados con instrumentos Geostationary Lightning Mapper (GLM), que son detectores ópticos transitorios de infrarrojo cercano que pueden detectar cambios momentáneos en una escena óptica, indicando la presencia de rayos. [ 158 ] [ 159 ] Los datos de detección de rayos se pueden convertir en un mapa en tiempo real de la actividad de rayos en todo el hemisferio occidental; esta técnica de mapeo ha sido implementada por el Servicio Meteorológico Nacional de los Estados Unidos . [ 160 ] A finales de 2022, EUMETSAT lanzó el Lightning Imager (MTG-LI) a bordo del Meteosat de tercera generación. [ 161 ] Esto complementa al GLM de la NOAA, ya que el MTG-LI observará Europa y África. [ 162 ]

Activación artificial

  • Disparado por cohete
    Los rayos pueden ser "desencadenados" lanzando cohetes especialmente diseñados con carretes de alambre hacia tormentas eléctricas. El alambre se desenrolla a medida que el cohete asciende, creando un suelo elevado que puede atraer a los líderes descendentes. Si un líder se engancha, el alambre proporciona una vía de baja resistencia para que se produzca un rayo. El alambre se vaporiza por el flujo de corriente de retorno, creando en su lugar un canal recto de plasma de rayo. Este método permite que la investigación científica de los rayos se lleve a cabo de una manera más controlada y predecible. [ 163 ] El Centro Internacional de Investigación y Pruebas de Rayos (ICLRT) en Camp Blanding, Florida, suele utilizar rayos desencadenados por cohetes en sus estudios de investigación.
  • Activado por láser
    Desde la década de 1970, [ 164 ] los investigadores han intentado provocar descargas eléctricas mediante láseres infrarrojos o ultravioleta, que crean un canal de gas ionizado a través del cual el rayo se conduciría a tierra. Esta provocación de rayos tiene como objetivo proteger las plataformas de lanzamiento de cohetes, las instalaciones eléctricas y otros objetivos sensibles. [ 165 ] [ 166 ] [ 167 ] [ 168 ] [ 169 ]
    En Nuevo México, EE. UU., científicos probaron un nuevo láser de teravatios que provocó rayos. Los científicos dispararon pulsos ultrarrápidos desde un láser extremadamente potente, enviando así varios teravatios a las nubes para provocar descargas eléctricas en las nubes de tormenta sobre la región. Los haces láser emitidos por el láser crean canales de moléculas ionizadas conocidas como filamentos . Antes de que el rayo impacte la tierra, los filamentos conducen la electricidad a través de las nubes, actuando como pararrayos. Los investigadores generaron filamentos con una duración demasiado corta para provocar un rayo real. Sin embargo, se registró un aumento en la actividad eléctrica dentro de las nubes. Según los científicos franceses y alemanes que realizaron el experimento, los pulsos rápidos emitidos por el láser podrán provocar rayos a demanda. [ 170 ] El análisis estadístico mostró que sus pulsos láser efectivamente aumentaron la actividad eléctrica en la nube de tormenta a la que apuntaban; en efecto, generaron pequeñas descargas locales ubicadas en la posición de los canales de plasma . [ 171 ]

Impacto del cambio climático y la contaminación atmosférica

Es difícil predecir con precisión los cambios en los rayos debido al cambio climático porque es complicado simular en los modelos climáticos las variables de la física de las nubes que predicen los rayos (como la convección y el hielo de las nubes). [ 172 ]

Una gran parte de los rayos del mundo se producen en África. [ 173 ] Si bien existen variaciones regionales en cómo el cambio climático afecta a los rayos en todo el continente, un estudio predice un pequeño aumento en la cantidad total de rayos en todo el continente con el calentamiento. Más específicamente, se prevé que el número total de días con rayos por año disminuya, mientras que una mayor cantidad de hielo en las nubes y una convección más fuerte dan lugar a que se produzcan más rayos en los días en que se producen. [ 174 ]

Los relámpagos son mucho menos comunes cerca de los polos Norte y Sur que en otras regiones. [ 175 ] [ 176 ] Sin embargo, las observaciones están empezando a mostrar que los relámpagos en el Ártico están aumentando. [ 177 ] [ 178 ] y los modelos sugieren que el cambio climático seguirá aumentando la frecuencia de los relámpagos en el Ártico en el futuro. [ 179 ] [ 180 ] La proporción de descargas eléctricas en el Ártico durante el verano ha aumentado de 2010 a 2020 en comparación con el total de descargas eléctricas en el mundo, lo que indica que la región está siendo más influenciada por los relámpagos. [ 178 ]

La actividad de los rayos aumenta debido a las emisiones de partículas (una forma de contaminación atmosférica ). [ 181 ] [ 182 ] [ 183 ] [ 184 ] Sin embargo, esto solo ocurre hasta cierto punto ( profundidad óptica del aerosol = 0,3). Una vez superado este umbral, los rayos se suprimen con mayores aumentos de partículas . [ 185 ] [ 186 ]

Cuando se produce un rayo, genera un calentamiento rápido que provoca la ruptura de las moléculas de nitrógeno y oxígeno en la atmósfera. Este proceso conduce a la formación de óxidos de nitrógeno (NO x ), que posteriormente pueden resultar en la producción de ozono , un gas de efecto invernadero cuando se produce en la troposfera . [ 187 ] [ 188 ] Sin embargo, los NO x de los rayos también producen un aumento en las cantidades de radicales hidroxilo (OH) e hidroperoxilo (HO 2 ). Estas moléculas reactivas inician reacciones químicas que descomponen gases de efecto invernadero como el metano , limpiando así la atmósfera. [ 189 ] [ 190 ]

Retroalimentación entre rayos y cambio climático

Dado que los rayos se ven influenciados por el cambio climático, se produce un cambio correspondiente en la influencia de los rayos sobre el clima. Estos cambios pueden conducir a un mayor cambio climático, creando así una retroalimentación del cambio climático . [ 191 ]

Los rayos producen ozono troposférico y metano, ambos gases de efecto invernadero y contaminantes atmosféricos. Por lo tanto, el impacto neto de los rayos en el clima depende del equilibrio entre el calentamiento y el enfriamiento que producen estos gases en la química atmosférica. Las predicciones de esta retroalimentación pueden variar, resultando en un cambio nulo (retroalimentación neta cero) o en un calentamiento (retroalimentación positiva), según el método utilizado para predecir los rayos. [ 192 ]

Los rayos son la principal causa natural de incendios forestales , [ 193 ] se estima que causan el 10% de los incendios forestales en todo el mundo. [ 194 ] Los incendios forestales pueden contribuir al cambio climático. [ 195 ] Debido a que los incendios forestales emiten gases de efecto invernadero y también afectan la cubierta vegetal (lo que afecta la cantidad de luz solar que se refleja), es posible una retroalimentación entre rayos e incendios forestales. Múltiples estudios sugieren que podría haber un aumento en los incendios provocados por rayos en los Árticos y el Ártico en respuesta al cambio climático. [ 179 ] [ 196 ] Hay evidencia de que la retroalimentación de los incendios forestales provocados por rayos en el Ártico también puede influir en la cubierta vegetal y de permafrost . [ 179 ] [ 180 ] El impacto de los rayos en los incendios en los trópicos sigue siendo incierto. [ 196 ]

En la cultura

La primera fotografía conocida de un rayo es de 1847, tomada por Thomas Martin Easterly . [ 197 ] La primera fotografía que se conserva es de 1882, tomada por William Nicholson Jennings . [ 198 ]

Religión y mitología

Relámpago de Mikalojus Konstantinas Ciurlionis (1909)

En muchas culturas, el rayo ha sido visto como un signo o parte de una deidad o una deidad en sí misma. Esto incluye al dios griego Zeus , el dios azteca Tláloc , el dios maya K , Perun de la mitología eslava , los Pērkons / Perkūnas bálticos , Thor en la mitología nórdica , Ukko en la mitología finlandesa , el dios hindú Indra , el dios yoruba Sango , Illapa en la mitología inca y el dios sintoísta Raijin . [ 199 ] Los antiguos etruscos produjeron guías para adivinar el futuro basadas en los presagios supuestamente mostrados por el trueno o el relámpago. [ 200 ] [ 201 ] Este uso del trueno y el relámpago en la adivinación también se conoce como ceraunoscopia , [ 202 ] una especie de aeromancia . En la religión tradicional de las tribus bantúes africanas , el rayo es un signo de la ira de los dioses. Las escrituras del judaísmo , el islam y el cristianismo también atribuyen una importancia sobrenatural a los relámpagos .

Aunque a veces se usa en sentido figurado, la idea de que un rayo nunca cae dos veces en el mismo lugar es un mito común. De hecho, un rayo puede caer, y a menudo cae, en el mismo lugar más de una vez. Los rayos durante una tormenta eléctrica tienen más probabilidades de impactar objetos y puntos más prominentes o conductores. Por ejemplo, el Empire State Building en la ciudad de Nueva York recibe un promedio de 23 rayos al año. [ 203 ] [ 204 ] [ 205 ]

En francés e italiano, la expresión para "amor a primera vista" es coup de foudre y colpo di fulmine , respectivamente, que traducido literalmente significa "rayo".

Cultura política y militar

Dos rayos representados en el antiguo escudo de armas del municipio de Yli-Ii.

En heráldica, el rayo se denomina rayo . Este símbolo suele representar poder y velocidad.

Algunos partidos políticos utilizan los relámpagos como símbolo de poder, como el Partido de Acción Popular en Singapur, la Unión Británica de Fascistas durante la década de 1930 y el Partido Nacional de los Derechos de los Estados en Estados Unidos durante la década de 1950. [ 206 ] Las Schutzstaffel , el brazo paramilitar del Partido Nazi , utilizaron la runa Sig en su logotipo, que simboliza el relámpago. La palabra alemana Blitzkrieg , que significa "guerra relámpago", fue una importante estrategia ofensiva del ejército alemán durante la Segunda Guerra Mundial.

El rayo es una insignia común para las unidades de comunicaciones militares . Un rayo es también el símbolo de la OTAN para un activo de señales .

Véase también

Referencias

Citas

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Fuentes

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  • Red de localización World Wide Lightning
  • La conferencia de Feynman sobre los rayos
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