El Tamiz

Si no eres parte de la solución eres parte del precipitado

Rayos - La descarga

Continuamos hoy nuestra mini-serie sobre rayos, que iniciamos hablando sobre el origen de los rayos. En esta segunda entrada de la serie hablaremos sobre la descarga eléctrica en sí.

Rayo

Crédito: Wikipedia (GPL).

Habíamos terminado el artículo anterior cuando la diferencia de potencial entre la base de una nube (cargada negativamente) y su “sombra” cargada positivamente en el suelo era tan grande que superaba el voltaje de ruptura del aire: los electrones de la nube tienen suficiente energía para atravesar el espacio que los separa del suelo. ¿Qué sucede entonces?

Bien, dicho mal y pronto, los electrones llegan hasta el suelo y, durante el trayecto, gastan la enorme energía de la que disponían de manera violenta, y esta energía se convierte en calor, luz y sonido. Sin embargo, si observamos la descarga eléctrica -el rayo- “a cámara lenta” veremos que suceden varias cosas sucesivamente. Tengo que decir que muchos libros de texto se recrean demasiado en la complejidad de lo que sucede exactamente en cada instante de la descarga, cuando lo esencial es, simplemente, lo que acabo de decir.

En primer lugar, los electrones de la nube intentan viajar hacia el suelo, pero chocan con las moléculas de aire. El primer electrón que baja se encuentra con una molécula, choca con ella y la ioniza - separa las cargas que la constituyen. Esto “gasta” gran parte de la energía del electrón, que ya no podrá llegar muy lejos… pero abre el camino a otros electrones.

¿Por qué? Piensa que, aunque el aire es un conductor muy malo (por eso hacen falta voltajes tan enormes para que los electrones puedan atravesarlo), la cosa es muy distinta si el aire está ionizado: cuando las cargas positivas y negativas están separadas, pueden moverse muy bien debido al campo eléctrico y conducir la corriente con gran facilidad. De modo que ese primer electrón “sacrificado” abre un cortísimo camino de aire ionizado desde la base de la nube hacia abajo, por el que otros electrones pueden bajar más fácilmente.

De modo que los siguientes electrones bajan por el camino de aire ionizado y, a su vez, ionizan otras moléculas más abajo. Poco a poco, de manera escalonada, a pasos de unos 50 metros, se va formando un camino de aire ionizado que va avanzando hacia el suelo. Naturalmente, “poco a poco” en términos relativos: todo este proceso tarda una décima de segundo o dos. Sin embargo, a escala atómica, un par de décimas de segundo es, realmente, un tiempo bastante largo.

Los electrones que van realizando este camino no son muchos -se trata de una corriente muy pequeña, no del rayo propiamente dicho-. Puesto que las condiciones del aire (la temperatura, la humedad, las partículas suspendidas) son variables, y los electrones buscan el camino de menor resistencia, realizan bruscos cambios de dirección, “palpando” las zonas de mejor conductividad del aire y formando una estructura serrada en el aire - aunque, como he dicho, esta descarga es muy débil y no se ve muy bien, sobre todo comparada con el rayo “de verdad”. A veces, algunos electrones intentan bajar por un camino y otros por otro, de modo que esta descarga (llamada líder escalonado por razones obvias) se ramifica como si fuera un tenedor o un árbol. Todo este camino escalonado y serrado es el que veremos muy pronto, cuando se produzca la descarga mayor.

Según el líder se va acercando al suelo, algo parecido sucede abajo: las cargas positivas del suelo (que, recuerda, están ahí porque los electrones las abandonaron al ser repelidos por la nube anteriormente) tratan de moverse hacia arriba, repelidas por la carga positiva de la “sombra de la nube” que las rodea, y atraídas por los electrones de arriba, y van realizando otra pequeña descarga escalonada que ioniza el aire de abajo hacia arriba. A veces hay varios de estos caminos de aire ionizado que tratan de llegar al líder escalonado, desde diversos puntos del suelo.

La cuestión está en que, como veremos cuando hablemos en detalle del campo eléctrico, las cargas tienden a acumularse en las puntas, de modo que estas descargas ascendentes que van ionizando el aire suelen salir de objetos más o menos puntiagudos (pelo, árboles, paraguas, campanarios). Por eso no es igual de probable que se produzcan en un campo abierto que en un árbol plantado en medio de ese campo: el árbol tiene más probabilidad de enviar una descarga “exploratoria” hacia arriba.

Si el voltaje es realmente suficiente como para que los electrones alcancen el suelo, es inevitable que ocurra: llegará un momento en el que uno de los “dedos” del líder escalonado descendente se encuentre con uno de los de las descargas ascendentes desde el suelo. Cuando eso ocurre, tenemos un camino continuo desde la base de la nube hasta el suelo, formado por aire ionizado (electrones y cationes), que une dos zonas con una diferencia de potencial brutal. Es decir, tenemos una súper-pila y un “cable” de aire ionizado.

Lo que sucede entonces es terriblemente violento: los electrones de la base de la nube descienden al suelo en masa: se conduce una corriente de unos 40.000 Amperios de intensidad media, y hasta 120.000 Amperios de intensidad máxima. Al mismo tiempo, los iones positivos del aire suben hacia la base de la nube, puesto que ellos son repelidos por la carga positiva del suelo y atraídos por los electrones de arriba.

Rayos

Secuencia de rayos durante una tormenta.

A veces se dice que “los rayos no caen, suben” porque las descargas del suelo son ascendentes, pero realmente la discusión no tiene mucho sentido: cuando se ha cerrado el camino de aire ionizado y las cargas se mueven de verdad, hay una cantidad ingente de electrones que bajan de la nube y una cantidad enorme de iones positivos que suben. El rayo es entre la nube y la tierra, ni “cae” ni “sube”, aunque sí pueda decirse que lo hagan el líder escalonado (hacia abajo) y las descargas desde el suelo (hacia arriba).

La cuestión es que, en una fracción de segundo, todo el desequilibrio de cargas que se había ido formando poco a poco se deshace en un santiamén: la potencia disipada puede llegar a los cien billones de vatios. Los electrones y los iones positivos, que se mueven en direcciones opuestas, chocan y se combinan de nuevo para formar moléculas de aire neutras, liberando gran energía en forma de luz: el relámpago. Al mismo tiempo, al calentarse muy bruscamente, el aire se expande de forma violentísima, produciendo una onda de choque que oímos como un profundo chasquido: el trueno.

Suele utilizarse la diferencia de percepción entre el relámpago y el trueno para estimar la distancia a la que se ha producido el rayo. En efecto, como la luz se mueve a 300.000 km/s, vemos el relámpago casi instantáneamente a la caída del rayo, pero como el sonido se mueve a 0,34 km/s, el trueno tarda un poco más. Cada tres segundos de diferencia entre relámpago y trueno significan aproximadamente un kilómetro de distancia del rayo. Sin embargo, sigue leyendo: la distancia a la que estás de la tormenta no debería tranquilizarte. Si puedes oír un trueno, estás suficientemente cerca para que te pueda caer un rayo, aunque no sea muy probable.

También puede que hayas notado que, muy a menudo, el trueno no es un simple estallido, sino una serie de estallidos muy cercanos y de volumen variable. Ese retumbar retrasado del trueno se debe a la combinación de dos factores: en primer lugar, a veces un rayo no es suficiente para deshacer la diferencia de potencial entre la nube y el suelo, sino que el camino de aire ionizado es utilizado por varios rayos consecutivos, separados unos 50 milisegundos, de modo que hay más de un rayo (que vemos como una luz parpadeante, como una luz estroboscópica) y más de un trueno, aunque muy seguidos. Por otro lado, si estamos lejos de donde cae el rayo, el trueno suele reflejarse en edificios, montañas, etc., con lo que oímos el trueno y el eco del trueno.

Como dijimos en la entrada anterior, también puede ser que el desequilibrio de cargas entre la base y la cima de la nube sea tan grande que el rayo se produzca entre ellas, o entre dos nubes adyacentes: los rayos de nube a nube son, de hecho, más comunes que los de nube a suelo, aunque naturalmente nos preocupan bastante menos.

Rayo de nube a nube

Rayo de nube a nube. Publicado bajo CC 2.5 License.

Hay otros tipos de rayos más extraños. Uno de los más peligrosos es el llamado “rayo positivo”, que no cae desde la base de una nube sino desde la cima cargada positivamente. Esto puede ocurrir, por ejemplo, en un cumulonimbo: este tipo de nubes tienen una especie de “cabeza de yunque” en la parte superior, donde la masa de aire ascendente se encuentra con la tropopausa (el final de la troposfera e inicio de la estratosfera), que puede llegar varios kilómetros por delante de la base de la nube.

Si el voltaje es suficientemente alto, puede ser que se produzca justo lo contrario que en un rayo normal: el suelo bajo la cabeza de yunque se carga negativamente y lo que bajan no son electrones sino cationes, y los electrones suben desde el suelo. El enorme peligro de los rayos positivos es, por un lado, que la altura hasta la cabeza de yunque es muy grande, luego el voltaje, si se producen, es gigantesco -por otro lado, tiene que ser tan enorme que son muy inusuales, un 5% del total de rayos al suelo-, de modo que la descarga es varias veces más violenta que la de un rayo normal: hasta 300.000 Amperios. Por otra parte, la gente no se espera estos rayos: a veces llegan tan lejos de la base de la nube que caen mientras hace sol. A veces nos cogen desprevenidos y no tomamos medidas de protección contra estos “rayos positivos”.

De modo que no sólo pueden caer rayos sin que llueva (de hecho, no son más comunes mientras llueve, lo importante es que haya nubes bajas y espesas), sino que no hace falta ni que esté nublado justo encima de ti -aunque, como hemos dicho, no sea tan frecuente en ese caso. En general, los rayos pueden llegar a varios kilómetros por delante de la nube, dependiendo de cuál es el camino más fácil para los electrones hasta el suelo, lo cual es bastante impredecible. Por eso, como recordaremos cuando hablemos sobre las medidas de protección contra los rayos, si puedes oír el trueno, estás en peligro. No hace falta que oigas un trueno casi a tu lado para que te refugies contra los rayos.

Las fotos no son suficientes para disfrutar de los rayos como merecen, de modo que aquí tienes algunos videos interesantes. El primero, simplemente la caída de un rayo durante una tormenta (me encanta el trueno):

Como hemos dicho, es difícil saber cuándo va a caer un rayo. A veces, los videos de rayos pretendían ser de otra cosa distinta hasta que…

Los aviones también pueden servir de “camino” al rayo hacia el suelo. Como se dice en el video, un avión comercial recibe una media de un rayo al año:

En la próxima entrada hablaremos sobre los efectos de un rayo sobre el cuerpo humano y cómo protegerse contra ellos.

Bocados de Inglés

Ciencia, Meteorología

30 comentarios

De: Javier
2007-10-05 20:59:24

Un pequeño comentario concerniente al orden de magnitud. No sé si es el caso, pero es muy común al traducir del inglés cometer un error con la palabra billion. Billion en inglés se traduce cómo mil millones. En cambio, en español, billón es un millón de millones. Es decir, "one hundred billion watts" se traduce como cien mil millones de vatios, y no cómo cien billones de vatios. Es la diferencia que hay entre la energía producida por cien centrales nucleares o por cien mil centrales nucleares. Creo que, por mucha energía que tenga un rayo, no puede tener la energía de cien mil centrales nucleares.

Saludos.


De: Pedro
2007-10-05 21:49:27

Javier,

No hay ningún error: un rayo puede disipar, como dice el artículo, una potencia de cien billones de watios: 100.000.000.000.000 w.

Respecto a lo que te extraña de comparar con una central nuclear: si consideramos que una central nuclear "típica" produce 1 Gw de potencia (mil millones de watios), un rayo puede, en efecto, disipar la potencia equivalente a cien mil centrales nucleares. Sin embargo, eso no quiere decir que un rayo "tenga la energía" de cien mil centrales nucleares: debes tener en cuenta que esa cifra no es energía, es potencia - energía por unidad de tiempo. Un rayo dura muy poco tiempo, de modo que la potencia disipada es muy grande.

En cualquier caso, gracias por el comentario.


De: david
2007-10-06 02:03:25

gracias , pedro, por el articulo. como sugerencia .. ¿ podrias hablar de los extraños rayos en bola o bolas de plasma ? he leido algo sobre ello y es curiosisimo.
un saludo


De: Pedro
2007-10-06 10:41:42

david,

Había considerado hablar de los "rayos raros" al final de la serie, si había interés. Supongo que podemos dedicar un artículo a eso :)


De: pedrito
2007-10-06 12:06:41

como dice en regreso al futuro: 1,21 Gigawatios!!!!
jjjj
Por supuesto!, habla de los rayos raros!!

salu2


De: Pedro
2007-10-06 17:46:51

pedrito,

De hecho, un "rayo positivo" (1 GV, 300 kA) puede llegar a involucrar 300.000 Gigawatios, unas tres veces lo que un rayo normal. Tela marinera...


De: pedrito
2007-10-07 13:02:38

en el segundo video, se ve como el que está arreglando la moto, le cae un rayo... El reacciona como si fuese un chispazo... si justo le ha caido el rayo en la moto, no tendria que haberle echo mas pupa??


De: 605U
2007-10-07 16:41:03

En el segundo video yo creo que el tio dice que cae en unas salidas de humos que hay en el edifico de enfrente.


De: cruzki
2007-10-07 19:05:30

Y la gran pregunta es, ¿Podemos usar la energía de un rayo? Me refiero como energía renovable. Ya se que son algo inpredecibles, pero pero de un rayito o dos estoy seguro que una buena reserva de hidrógeno se podría hacer.


De: Javier
2007-10-08 11:56:56

Estoy de acuerdo en el error cometido: estamos hablando de potencia, no de energía. En cualquier caso, parece increible que, en unos pocos segundos, se disipe tanta potencia como cien mil centrales nucleares (trato de comparar siempre estas cifras con centrales nuclerares, cómo una forma más sencilla de cuantificar lo impensable). ¿En cuanto tiempo se disipa esa potencia? Me imagino que no más de tres o cuatro segundos.
Por otro lado, lo de los billones lo comentaba porque es un error muy usual, aunque no en tu caso.

Saludos.


De: SARA
2008-04-01 04:28:39

MMM... SI MUY BIEN PERO PUES CREO QUE MI PROBLEMA . RIDICULAMENTE FUE NO SABER INGLES . JI JI


De: lluisteixido
2008-04-28 14:45:08

WARNING. 3er video no disponible

Que susto se pega el de la moto :), no es para menos...


De: Pedro
2008-04-28 17:35:21

lluis,

Gracias, éste no he podido volver a encontrarlo así que lo elimino :(


De: gitana
2008-08-22 17:13:26

super bien me encanta lo de los rayos pero podian hablar de los oyos negros me encanta ese tema


De: El Tamiz : Premios Nobel - Física 1901 (Los rayos X)
2008-11-05 07:49:53

[...] X, aunque de una intensidad mucho menor, claro. En los instantes inmediatamente anteriores a la descarga de un rayo, según el líder escalonado va descendiendo hacia el suelo, se produce la emisión de cantidades [...]


De: juan carlos
2009-01-28 23:56:05

podemos usar el rayo como energia


De: Pedro
2009-01-29 07:41:46

juan carlos,

Hasta ahora no lo hemos conseguido, que yo sepa, pero no hay nada teóricamente hablando que lo haga imposible. El problema es que es una gigantesca cantidad de energía en un tiempo muy pequeño, y manejarla es muy complicado. Tal vez algún día logremos almacenarla, no lo sé.


De: kemero
2009-02-16 17:56:05

Estoy estrenando la sección "Series" y mira que buena mini serie que encontré, un furor! Excelente artículo Pedro.

Y dejo otro voto para que se escriba un artículo lo de los rayos de bola y los que en vez de ir para abajo salen para la atmósfera (no se como se llaman) =)


De: jhon quirita
2009-04-26 00:55:53

como se puede almacenar esa energia electrica de gran volathe para poder lamacenar y asi poder hacer estudios sobre eso deseo saber masd de eso atte estudiando de inagenieria electrica unsaac cusco -peru


De: Sara
2009-06-09 00:41:52

pedrito, no creo que leas esto después de tanto tiempo pero aparentemente el hombre de la moto SÍ recibió efectos de la descarga. Dice "My spine feels so weird (...) I don't know how to say but it just kinda feels charged (...) I swear I just felt something went through me". Significa que sintió que algo lo traspasó y le dejó la espalda como "cargada". Es evidente que sucedió lo que explican en el informe: la energía del rayo le recorrió la médula espinal y el sistema nervioso pero afortunadamente la carga no fue tan fuerte como para afectarle el cerebro o el corazón. El rayo en realidad cayó donde él indica pero algo de la energía se reflejó hasta la moto, la cual la absorbió, y no le transmitió mucho al hombre.


De: Jose
2009-07-13 21:22:49

Hola, muy bueno el articulo y el blog en general, por cierto el ultimo video ya no está en youtube.

Aqui hay un video de rayos grabados en camara lenta en el que se ve perfectamente como se "habren camino" varios rayos.

http://www.youtube.com/watch?v=Nh15VjGkK5Y


De: Ecron
2009-09-15 20:54:55

Los videos de YouTube ya no están!

Por favor, repara los enlaces, que me encataría verlos ;)

Por cierto, gran artículo, gran web.


De: Pedro
2009-09-16 06:33:21

Ecron, reparados, ¡disfruta y gracias por el aviso! :)


De: Odrareg Costa Rica
2009-11-05 20:38:14

que carga el video.
se puede observar claramente como los electrones lideres se van formando caminos hasta tocar el suelo. y cuando tocan el suelo viene una levisima pausa y puf, se viene el grandote de seguido!


De: diana
2010-01-27 15:24:18

esta informacion esta muy pequeña si pudiertas hacerla mas grande te lo agradecemos


De: Peluca
2010-03-18 12:27:19

Pedro, tengo una pregunta, yo había leído (creo que acá también lo leí por ahí) que en realidad, el típico rayo va DESDE la TIERRA, hasta las nubes, y que antes de eso, de la nube se desprende una especie de "guía" que es como un rayito, y luego la tierra envía la descarga.

Ahora bien ¿Y los pararrayos? Si la descarga es generalmente desde la Tierra ¿Por qué los pararayos? Acaso conducen el rayo desde la teirra al cielo para que no pase por tu casa y te queme todo o te mate elctrocutado? Espero que puedas aclararme la duda, un gran saludo.


De: Bullete
2010-06-13 17:24:26

Hay muchísimos vídeos interesantes sobre rayos, como por ejemplo:
-Un rayo atraviesa a un avión:
http://www.youtube.com/watch?v=x7kmWMT8Yuo
-Un rayo a cámara super lenta:
http://www.youtube.com/watch?v=rMUCxcorQp4
-Curioso fenómeno en el que un rayo "sube" desde la tierra...:
http://www.youtube.com/watch?v=HnvMddYUrhg
(Sinceramente ese último vídeo me da algo de miedo xD)

Y muchos más, os invito a buscar "lightning" en youtube o "lightning slow motion".

PD: Me encanta tu blog, enhorabuena.


De: magda
2011-07-21 17:24:35

Me preocupa lo que concierne a las ondas expansivas porque me estan instalando una torre telecomunicaciones y va a tener un pararayos alguien me puede informar donde lo encuentro y que haga referencia en Costa Rica. Gracias


De:
2011-11-25 00:43:08

Sólo decir que los rayos tierra nube también existen y son frecuentes, de hecho se pueden ver videos de rayos ascendentes.
En cuanto a los aviones, los rayos "habituales" expuestos en este hilo, no les afectan ya que están protegidos, digamos que la cubierta metálica del avión hace de pantalla que transmite la carga sin dejarla pasar al exterior. Pero lo dicho, esto sólo pasa con los rayos habituales, es decir los rayos negativos, los rayos negativos son mucho más potentes como ya se ha dicho y se cree que son la causa de un gran número de accidentes aereos, de hecho la nave Columbia de la NASA que se estrello, aunque no está probado (que yo sepa), fue debido a un rayo positivo.
Hay otros rayos bastantes curiosos que se llaman Sprites y que alcanzan alturas de hasta 80 Km. mientras que los "normales" normalmente alcanzan máximos de 3.


De: Dani
2013-06-12 12:46:08

Estaba leyendo aqui y en xatakaciencia sobre la formacion de los rayos... veo que en tu articulo no dices nada, y en xatakaciencia hablan sobre como afecta los rayos cosmicos a la generacion de los rayos. Ahora estoy echo un lio, y ya no si si es un mito lo que dice o no

http://www.xatakaciencia.com/fisica/como-se-producen-los-rayos-3


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