Electricitat atmofera. Raigs i uns altres

1993/10/01 Etxebarria, Jose Ramon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika
• Klima

En aquest article i en el denominat “Què fer en cas de tempesta?” que apareixerà en el següent número, analitzarem aquest fenomen típic de la naturalesa.

A l'hora d'analitzar l'electricitat en l'atmosfera, ens referirem a una fenomenologia encara desconeguda, en la qual apareguin una de les llacunes d'aquesta suposada ignorància dels físics. Al meu entendre, des del punt de vista de l'ensenyament és interessant fer-lo per a referir-se conscientment als límits del coneixement, ja que en més d'una ocasió els alumnes consideren el coneixement de la Física com alguna cosa fet i acabat. D'altra banda, en realitzar l'anàlisi teòrica de la Física en les assignatures de la Facultat, estem acostumats a utilitzar models simplificats i, per exemple, en el camp de l'Electricitat se solen considerar conductors esfèrics o cilíndrics, o corrents lineals. A més, per a la simplificació del model matemàtic se solen analitzar cossos finits o amb formes geomètriques molt simples, sovint amb simetries geomètriques, la qual cosa facilita molt els càlculs.

No obstant això, els fenòmens que apareixen en la realitat solen ser molt més complicats i els cossos no tenen per què tenir formes geomètriques conegudes i simètriques. Una cosa així ocorre amb els fenòmens atmosfèrics, que són molt complicats i s'allunyen de models matemàtics senzills. En més d'una ocasió només som capaces de fer una explicació qualitativa aproximada dels fenòmens en aquests casos. D'aquest tipus és, per exemple, el problema que tenim amb alguns fenòmens elèctrics en l'atmosfera, i més concretament respecte als llamps que es produeixen en els atacs de trons.

En aquest treball, partint del record històric de l'estudi del tema, tractarem de realitzar una anàlisi d'alguns dels principals fenòmens elèctrics que tenen lloc en l'atmosfera, però conscient que encara no estan del tot compresos.

Record històric

La por i la pànic als atacs de trons i a les conseqüències dels llamps ha estat des de sempre la humanitat. A això es poden citar els mites de molts països, en els quals en moltes ocasions apareix el déu dels llamps de gran poder trencador. No obstant això, els mites ens donen una explicació inadequada per a la Física.

La referència i l'estudi científic de la relació entre els raigs i l'electricitat és una qüestió dels últims segles, des que es van començar a estudiar qüestions relacionades amb l'electricitat. El primer esment d'aquesta connexió la va fer WALL (1708), qui, després d'observar les cascades i il·luminacions entre els seus dits i l'ambre carregat, va suggerir «que representaven aparentment el procés dels trons i llamps». Posteriorment, el científic GRAY (1735) va exposar una opinió similar sobre l'observació del foc elèctric, i winkler (1746) va realitzar una comparació detallada entre l'arc elèctric i la descàrrega del raig.

Els primers experiments sobre l'electricitat dels núvols de tro es van realitzar cap a 1750. Per a llavors ja havia inventat la gerra de Leyden, que servia per a emmagatzemar i emmagatzemar la càrrega elèctrica, i Franklin va intentar obtenir electricitat dels núvols de tro, aïllant un punt del sòl en una antiga torre. Encara que el nom de Franklin ens ha arribat, sembla ser que el primer a aconseguir-ho va ser D’ALIBARD (1752), aïllant per a això el pal llarg de ferro (~ 13 m) amb una ampolla de vidre i mantenint els suports de fusta (el dia dels resultats positius va ser de 1752-V-10).

Un mes després, Franklin va realitzar la prova amb un cometa de fil conductor, que també va obtenir resultats positius. A partir d'aquí van arribar altres experiments fins a arribar a la invenció del parallamps. Cal dir que en ells no es va produir un accident greu, ja que en tots els casos les fonts de corrent van ser els locals de descàrrega de les petites regions de núvols i no els veritables raigs. No va succeir el mateix en 1753 a Sant Petersburg, on el professor RICHMANN va morir en atrapar el veritable raig al conductor del seu experiment.

Potencial elèctric en l'atmosfera

Comencem per presentar els resultats dels mesuraments de l'electricitat atmosfèrica. Tenint en compte els valors mitjans, en un territori pla o sobre la mar, en ascendir el potencial elèctric de camp augmenta, amb un gradient aproximat de 100 V/m. És a dir, el valor del camp elèctric E és de 100 V/m, amb direcció vertical i sentit descendent

Com es pot apreciar en la figura, la superfície terrestre es comporta com un conductor, amb càrrega negativa, formant una superfície equipotencial i la resta formant esferes concèntriques pròximes. No obstant això, quan en la superfície hi ha irregularitats (o persones), en l'esquema anteriorment descrit apareixen deformacions. De fet, en el nostre cas, pot ser interessant analitzar què passa. A primera vista, del que s'ha dit anteriorment, podem pensar que existeix una gran diferència de potencial entre nosaltres mateixos i els peus (~ 170 V en funció de l'altura de la persona). Però les coses no passen així. En realitat, el cos humà és un conductor suficient, per la qual cosa en contacte amb el sòl existeix una tendència a aconseguir el mateix potencial, és a dir, a formar una superfície equipotencial amb la superfície terrestre. En conseqüència, la superfície equipotencial circumdant apareix deformada, tal com es mostra en la figura 2.

En aquest treball no parlarem dels mètodes de mesurament del camp elèctric atmosfèric, per al que podem partir de la referència. No obstant això, en pujar cap amunt aquesta zona és cada vegada més lenta, sent molt petita en aconseguir els 50 km. En principi, el potencial es va incrementant fins a aquesta altura, amb una diferència de potencial entre punts locals i superficials de 400.000 V, tal com es mostra en la Figura 3. Segons el seu esquema, podem considerar com una capa superior positiva i la inferior com a negativa.

No obstant això, com veurem en el següent apartat, existeix un corrent vertical que, tenint en compte la totalitat de la Terra, val íntegrament 1.800 A. En conseqüència, es pot pensar que amb el temps es produirà la descàrrega de la capa superior i que finalment els dos potencials s'igualaran. Però les coses no són així, i aquesta diferència de potencial és bastant persistent, malgrat les mínimes incidències. Més encara, les citades incidències tenen una gran regularitat amb una freqüència d'un dia. De fet, els mesuraments mundials indiquen que l'evolució mitjana del camp elèctric al llarg del dia es mostra en la Figura 4. Com es pot observar, el valor màxim se situa entorn del ± 15%, mesurat a les 7 de la tarda i el mínim a les 4 de la matinada (hora de Greenwich). Potser el més destacable és saber que en qualsevol regió de la Terra s'obtenen resultats similars, a la mateixa hora que en Greenwich.

Conductivitat elèctrica de l'aire. Corrents elèctrics en l'atmosfera

A pesar que l'aire és aïllant en si mateix, els mesuraments en l'atmosfera indiquen que, a més del camp elèctric, existeix corrent en direcció vertical, sent la seva densitat de corrent molt baix (de l'ordre de 10-12 A/m²). D'on ve aquesta conductivitat?

De fet, existeixen diversos ions en l'aire, formats per diferents orígens. En definitiva, dues són les principals maneres de produir ions a l'atmosfera. El que primer es va entendre és per radioactivitat. En la superfície terrestre i en la pols atmosfèrica hi ha una sèrie d'elements radioactius naturals, i les partícules de gran energia que es generen en la seva desintegració tenen la capacitat d'ionitzar molècules d'aire. No obstant això, la ionització per elements radioactius és cada vegada menor amb l'altura, ja que la majoria dels radioisòtops es troben en el sòl o en la pols circumdant. No obstant això, els mesuraments amb globus indiquen que la ionització per unitat de volum augmenta en funció de l'altura.

Aquestes mesures són XX. Es van celebrar en els primers vint anys del segle XX i van sorprendre els físics, que, sense una explicació adequada, creien que havia de ser el contrari. L'explicació va venir de la mà d'un nou fenomen desconegut, el descobriment dels raigs còsmics. Avui sabem que els raigs còsmics provenen de fora de la Terra i com més a dalt pugen a l'atmosfera, més se sent la seva influència. Així, els raigs còsmics són l'altre motor de la contínua formació dels ions i la causa que el seu número sigui major i major.

Convé també fer una observació sobre la naturalesa dels ions. D'una banda, tenim els ions creats per ionització de les molècules d'aire, que podem denominar ions “petits”, però a més cal tenir en compte uns altres. També suren pols o impureses en l'aire, que també poden estar carregades formant ions “grans”. Per exemple, per la causa de les ones de la mar poden arribar a l'atmosfera gotes d'aigua molt petites que en evaporar-se poden quedar petits cristalls de NaCl surant en l'aire. Carregats aquest tipus de cristalls, tenim alguns “grans ions”. Per descomptat, els petits ions es desplacen molt més ràpid que els grans ions.

En tot cas, la conductivitat de l'aire, basada en la mobilitat dels ions, s'incrementa en funció de l'altura de la superfície terrestre, per dos motius consecutius. En primer lloc, perquè la ionització causada per la causa dels raigs còsmics va augmentant en funció de l'altura i, en segon lloc, perquè la densitat va disminuint, pel fet que les vies interceptives dels ions van augmentant, augmentant la conductivitat.

A 50 km d'altura existeix una gran conductivitat que en la pràctica pot assimilar-se a la d'un conductor en aquesta capa. A partir d'aquesta altura podem considerar que l'àrea potencial no es veu alterada, tal com s'ha indicat anteriorment en la figura 3. Com a nota, malgrat tenir un alt grau de ionització, no s'ha de barrejar aquesta capa amb l'anomenada ionosfera. La ionosfera s'inicia a uns 100 km d'altura, sent la principal generació d'ions locals la de fotoelectricitat produïda pels raigs solars, i amb una característica curiosa la reflexió de les ones de ràdio, la qual cosa permet la propagació de les emissions de ràdio, que permet conduir les ones de ràdio. En qualsevol cas, tornant a la capa d'uns 50 km, l'elevada conductivitat en direcció horitzontal ens situa en la comprensió de la uniformitat a través de la Terra mostrada en la figura 4, considerada com una capa conductora de tot el globus terraqüi, ja que tendeix a igualar ràpidament el potencial.

No obstant això, si bé hem aclarit d'alguna manera el perquè de la uniformitat del potencial, encara no s'ha explicat. En concret, com s'ha indicat anteriorment, a pesar que la densitat de corrent cap a la superfície terrestre és molt baixa, atès que la seva superfície és molt elevada, el corrent mitjà des de la capa superior a la superfície terrestre és d'uns 1.800 A. Per tant, amb una diferència de potencial de 400.000 V, tenim una potència contínua d'uns 720 MW. Ens pot venir una pregunta de seguida. Si aquest corrent continu funcionant sense renovació, en breu desapareixeria la càrrega de la capa superior, paralitzant el procés. Com és possible no descarregar la capa superior? On està la “màquina” o “bateria” que manté el procés en continu funcionament? Segons les teories existents, la superfície (+)/capa superior (-) sembla estar recarregant constantment el sistema, estant l'eix i l'essència del procés de càrrega en els llamps de tro.

Procés de càrrega per raig

Segons els mesuraments realitzats, durant la caiguda dels llamps es passen càrregues negatives a la superfície terrestre en la major part dels casos (nou de cada deu). Així, a causa de les agressions de trons que s'estan produint al llarg de tot el planeta Terra, la superfície terrestre s'està carregant constantment amb un corrent mitjà de 1.800 A, càrrega que s'està descarregant constantment al llarg del dia en regions de bon temps, amb una densitat de corrent aproximat de 10-12 A/m² abans esmentada, mantenint-se un ^equilibri de dia a dia (amb pujades segons el procés descrit en la figura 4).

Quants atacs de trons es produeixen en el món? No és fàcil donar dades concretes sobre aquest tema, entre altres coses perquè no és possible realitzar una observació directa en la majoria de les regions, com en les mars que cobreixen la major part de la superfície terrestre. D'altra banda, és coneguda la major intensitat dels atacs de trons a les regions tropicals. En qualsevol cas, s'han realitzat estimacions de diferents tipus, segons les quals en tota la Terra cauen uns 100 llamps de mitjana per segon, sent la seva major activitat cap a les 7 de la tarda (hora de Greenwich), d'acord amb l'explicació de la figura 4 anterior. Pel que sembla, en realitzar cada raig en 20 Coulomas aproximadament, es pot explicar el valor del corrent de càrrega del sistema.

Nota: Per a veure les imatges en format PDF.