Electricidad atmofera. Rayos y otros

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

• Fisika
• Klima

En este artículo y en el denominado “¿Qué hacer en caso de tormenta?” que aparecerá en el siguiente número, analizaremos este fenómeno típico de la naturaleza.

A la hora de analizar la electricidad en la atmósfera, nos referiremos a una fenomenología aún desconocida, en la que aparezcan una de las lagunas de esa supuesta ignorancia de los físicos. En mi opinión, desde el punto de vista de la enseñanza es interesante hacerlo para referirse conscientemente a los límites del conocimiento, ya que en más de una ocasión los alumnos consideran el conocimiento de la Física como algo hecho y acabado. Por otro lado, al realizar el análisis teórico de la Física en las asignaturas de la Facultad, estamos acostumbrados a utilizar modelos simplificados y, por ejemplo, en el campo de la Electricidad se suelen considerar conductores esféricos o cilíndricos, o corrientes lineales. Además, para la simplificación del modelo matemático se suelen analizar cuerpos finitos o con formas geométricas muy simples, a menudo con simetrías geométricas, lo que facilita mucho los cálculos.

Sin embargo, los fenómenos que aparecen en la realidad suelen ser mucho más complicados y los cuerpos no tienen por qué tener formas geométricas conocidas y simétricas. Algo así ocurre con los fenómenos atmosféricos, que son muy complicados y se alejan de modelos matemáticos sencillos. En más de una ocasión sólo somos capaces de hacer una explicación cualitativa aproximada de los fenómenos en estos casos. De este tipo es, por ejemplo, el problema que tenemos con algunos fenómenos eléctricos en la atmósfera, y más concretamente con respecto a los rayos que se producen en los ataques de truenos.

En este trabajo, partiendo del recuerdo histórico del estudio del tema, trataremos de realizar un análisis de algunos de los principales fenómenos eléctricos que tienen lugar en la atmósfera, pero consciente de que todavía no están del todo comprendidos.

Recuerdo histórico

El miedo y la pánico a los ataques de truenos y a las consecuencias de los rayos ha sido desde siempre la humanidad. A ello se pueden citar los mitos de muchos países, en los que en muchas ocasiones aparece el dios de los rayos de gran poder rompedor. Sin embargo, los mitos nos dan una explicación inadecuada para la Física.

La referencia y el estudio científico de la relación entre los rayos y la electricidad es una cuestión de los últimos siglos, desde que se empezaron a estudiar cuestiones relacionadas con la electricidad. La primera mención de esta conexión la hizo WALL (1708), quien, tras observar las cascadas e iluminaciones entre sus dedos y el ámbar cargado, sugirió «que representaban aparentemente el proceso de los truenos y rayos». Posteriormente, el científico GRAY (1735) expuso una opinión similar sobre la observación del fuego eléctrico, y winkler (1746) realizó una comparación detallada entre el arco eléctrico y la descarga del rayo.

Los primeros experimentos sobre la electricidad de las nubes de trueno se realizaron hacia 1750. Para entonces ya había inventado la jarra de Leyden, que servía para almacenar y almacenar la carga eléctrica, y Franklin intentó obtener electricidad de las nubes de trueno, aislando un punto del suelo en una antigua torre. Aunque el nombre de Franklin nos ha llegado, parece ser que el primero en conseguirlo fue D’ALIBARD (1752), aislando para ello el palo largo de hierro (~ 13 m) con una botella de vidrio y manteniendo los apoyos de madera (el día de los resultados positivos fue de 1752-V-10).

Un mes después, Franklin realizó la prueba con un cometa de hilo conductor, que también obtuvo resultados positivos. A partir de ahí llegaron otros experimentos hasta llegar a la invención del pararrayos. Hay que decir que en ellos no se produjo un accidente grave, ya que en todos los casos las fuentes de corriente fueron los locales de descarga de las pequeñas regiones de nubes y no los verdaderos rayos. No sucedió lo mismo en 1753 en San Petersburgo, donde el profesor RICHMANN murió al atrapar el verdadero rayo al conductor de su experimento.

Potencial eléctrico en la atmósfera

Comencemos por presentar los resultados de las mediciones de la electricidad atmosférica. Teniendo en cuenta los valores medios, en un territorio llano o sobre el mar, al ascender el potencial eléctrico de campo aumenta, con un gradiente aproximado de 100 V/m. Es decir, el valor del campo eléctrico E es de 100 V/m, con dirección vertical y sentido descendente

Como se puede apreciar en la figura, la superficie terrestre se comporta como un conductor, con carga negativa, formando una superficie equipotencial y el resto formando esferas concéntricas cercanas. Sin embargo, cuando en la superficie hay irregularidades (o personas), en el esquema anteriormente descrito aparecen deformaciones. De hecho, en nuestro caso, puede ser interesante analizar qué pasa. A primera vista, de lo dicho anteriormente, podemos pensar que existe una gran diferencia de potencial entre nosotros mismos y los pies (~ 170 V en función de la altura de la persona). Pero las cosas no pasan así. En realidad, el cuerpo humano es un conductor suficiente, por lo que en contacto con el suelo existe una tendencia a alcanzar el mismo potencial, es decir, a formar una superficie equipotencial con la superficie terrestre. En consecuencia, la superficie equipotencial circundante aparece deformada, tal y como se muestra en la figura 2.

En este trabajo no vamos a hablar de los métodos de medición del campo eléctrico atmosférico, para lo que podemos partir de la referencia. Sin embargo, al subir hacia arriba esta zona es cada vez más lenta, siendo muy pequeña al alcanzar los 50 km. En principio, el potencial se va incrementando hasta esa altura, con una diferencia de potencial entre puntos locales y superficiales de 400.000 V, tal y como se muestra en la Figura 3. Según su esquema, podemos considerar como una capa superior positiva y la inferior como negativa.

No obstante, como veremos en el siguiente apartado, existe una corriente vertical que, teniendo en cuenta la totalidad de la Tierra, vale en su totalidad 1.800 A. En consecuencia, se puede pensar que con el tiempo se producirá la descarga de la capa superior y que finalmente los dos potenciales se igualarán. Pero las cosas no son así, y esa diferencia de potencial es bastante persistente, a pesar de las mínimas incidencias. Más aún, las citadas incidencias tienen una gran regularidad con una frecuencia de un día. De hecho, las mediciones mundiales indican que la evolución media del campo eléctrico a lo largo del día se muestra en la Figura 4. Como se puede observar, el valor máximo se sitúa en torno al ± 15%, medido a las 7 de la tarde y el mínimo a las 4 de la madrugada (hora de Greenwich). Quizá lo más destacable es saber que en cualquier región de la Tierra se obtienen resultados similares, a la misma hora que en Greenwich.

Conductividad eléctrica del aire. Corrientes eléctricas en la atmósfera

A pesar de que el aire es aislante en sí mismo, las mediciones en la atmósfera indican que, además del campo eléctrico, existe corriente en dirección vertical, siendo su densidad de corriente muy baja (del orden de ^10-12 A/m2). ¿De dónde viene esa conductividad?

De hecho, existen varios iones en el aire, formados por distintos orígenes. En definitiva, dos son las principales formas de producir iones a la atmósfera. Lo que primero se entendió es por radiactividad. En la superficie terrestre y en el polvo atmosférico hay una serie de elementos radiactivos naturales, y las partículas de gran energía que se generan en su desintegración tienen la capacidad de ionizar moléculas de aire. No obstante, la ionización por elementos radiactivos es cada vez menor con la altura, ya que la mayoría de los radioisótopos se encuentran en el suelo o en el polvo circundante. Sin embargo, las mediciones en globo indican que la ionización por unidad de volumen aumenta en función de la altura.

Estas medidas son XX. Se celebraron en los primeros veinte años del siglo XX y sorprendieron a los físicos, que, sin una explicación adecuada, creían que debía ser el contrario. La explicación vino de la mano de un nuevo fenómeno desconocido, el descubrimiento de los rayos cósmicos. Hoy sabemos que los rayos cósmicos provienen de fuera de la Tierra y cuanto más arriba suben a la atmósfera, más se siente su influencia. Así, los rayos cósmicos son el otro motor de la continua formación de los iones y la causa de que su número sea mayor y mayor.

Conviene también hacer una observación sobre la naturaleza de los iones. Por un lado, tenemos los iones creados por ionización de las moléculas de aire, que podemos denominar iones “pequeños”, pero además hay que tener en cuenta otros. También flotan polvo o impurezas en el aire, que también pueden estar cargadas formando iones “grandes”. Por ejemplo, por la causa de las olas del mar pueden llegar a la atmósfera gotas de agua muy pequeñas que al evaporarse pueden quedar pequeños cristales de NaCl flotando en el aire. Cargados este tipo de cristales, tenemos algunos “grandes iones”. Por supuesto, los pequeños iones se desplazan mucho más rápido que los grandes iones.

En todo caso, la conductividad del aire, basada en la movilidad de los iones, se incrementa en función de la altura de la superficie terrestre, por dos motivos consecutivos. En primer lugar, porque la ionización causada por la causa de los rayos cósmicos va aumentando en función de la altura y, en segundo lugar, porque la densidad va disminuyendo, debido a que las vías interceptivas de los iones van aumentando, aumentando la conductividad.

A 50 km de altura existe una gran conductividad que en la práctica puede asimilarse a la de un conductor en esta capa. A partir de esta altura podemos considerar que el área potencial no se ve alterada, tal y como se ha indicado anteriormente en la figura 3. Como nota, a pesar de tener un alto grado de ionización, no se debe mezclar esta capa con la llamada ionosfera. La ionosfera se inicia a unos 100 km de altura, siendo la principal generación de iones locales la de fotoelectricidad producida por los rayos solares, y con una característica curiosa la reflexión de las ondas de radio, lo que permite la propagación de las emisiones de radio, que permite conducir las ondas de radio. En cualquier caso, volviendo a la capa de unos 50 km, la elevada conductividad en dirección horizontal nos sitúa en la comprensión de la uniformidad a través de la Tierra mostrada en la figura 4, considerada como una capa conductora de todo el globo terráqueo, ya que tiende a igualar rápidamente el potencial.

Sin embargo, si bien hemos aclarado de alguna manera el porqué de la uniformidad del potencial, todavía no se ha explicado. En concreto, como se ha indicado anteriormente, a pesar de que la densidad de corriente hacia la superficie terrestre es muy baja, dado que su superficie es muy elevada, la corriente media desde la capa superior a la superficie terrestre es de unos 1.800 A. Por lo tanto, con una diferencia de potencial de 400.000 V, tenemos una potencia continua de unos 720 MW. Nos puede venir una pregunta enseguida. Si esta corriente continua funcionando sin renovación, en breve desaparecería la carga de la capa superior, paralizando el proceso. ¿Cómo es posible no descargar la capa superior? ¿Dónde está la “máquina” o “batería” que mantiene el proceso en continuo funcionamiento? Según las teorías existentes, la superficie (+)/capa superior (-) parece estar recargando constantemente el sistema, estando el eje y la esencia del proceso de carga en los rayos de trueno.

Proceso de carga por rayo

Según las mediciones realizadas, durante la caída de los rayos se pasan cargas negativas a la superficie terrestre en la mayor parte de los casos (nueve de cada diez). Así, debido a las agresiones de truenos que se están produciendo a lo largo de todo el planeta Tierra, la superficie terrestre se está cargando constantemente con una corriente media de 1.800 A, carga que se está descargando constantemente a lo largo del día en regiones de buen tiempo, con una densidad de corriente aproximada de 10-12 A/m2 antes mencionada, manteniéndose un ^equilibrio de día a día (con subidas según el proceso descrito en la figura 4).

¿Cuántos ataques de truenos se producen en el mundo? No es fácil dar datos concretos al respecto, entre otras cosas porque no es posible realizar una observación directa en la mayoría de las regiones, como en los mares que cubren la mayor parte de la superficie terrestre. Por otra parte, es conocida la mayor intensidad de los ataques de truenos en las regiones tropicales. En cualquier caso, se han realizado estimaciones de diferentes tipos, según las cuales en toda la Tierra caen unos 100 rayos de media por segundo, siendo su mayor actividad hacia las 7 de la tarde (hora de Greenwich), de acuerdo con la explicación de la figura 4 anterior. Al parecer, al realizar cada rayo en 20 Coulomas aproximadamente, se puede explicar el valor de la corriente de carga del sistema.

Nota: Para ver las imágenes en formato PDF.