Electricidade atmofera. Raios e outros

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

• Fisika
• Klima

Neste artigo e no denominado “Que facer en caso de tormenta?” que aparecerá no seguinte número, analizaremos este fenómeno típico da natureza.

Á hora de analizar a electricidade na atmosfera, referirémonos a unha fenomenología aínda descoñecida, na que aparezan una das lagoas desa suposta ignorancia dos físicos. Na miña opinión, desde o punto de vista do ensino é interesante facelo paira referirse conscientemente aos límites do coñecemento, xa que en máis dunha ocasión os alumnos consideran o coñecemento da Física como algo feito e acabado. Doutra banda, ao realizar a análise teórica da Física nas materias da Facultade, estamos afeitos utilizar modelos simplificados e, por exemplo, no campo da Electricidade adóitanse considerar condutores esféricos ou cilíndricos, ou correntes lineais. Ademais, paira a simplificación do modelo matemático adóitanse analizar corpos finitos ou con formas xeométricas moi simples, a miúdo con simetrías xeométricas, o que facilita moito os cálculos.

Con todo, os fenómenos que aparecen na realidade adoitan ser moito máis complicados e os corpos non teñen por que ter formas xeométricas coñecidas e simétricas. Algo así ocorre cos fenómenos atmosféricos, que son moi complicados e afástanse de modelos matemáticos sinxelos. En máis dunha ocasión só somos capaces de facer una explicación cualitativa aproximada dos fenómenos nestes casos. Deste tipo é, por exemplo, o problema que temos con algúns fenómenos eléctricos na atmosfera, e máis concretamente con respecto aos raios que se producen nos ataques de tronos.

Neste traballo, partindo do recordo histórico do estudo do tema, trataremos de realizar unha análise dalgúns dos principais fenómenos eléctricos que teñen lugar na atmosfera, pero consciente de que aínda non están do todo comprendidos.

Recordo histórico

O medo e o pánico aos ataques de tronos e ás consecuencias dos raios foi desde sempre a humanidade. A iso pódense citar os mitos de moitos países, nos que en moitas ocasións aparece o deus dos raios de gran poder rompedor. Con todo, os mitos dannos una explicación inadecuada paira a Física.

A referencia e o estudo científico da relación entre os raios e a electricidade é una cuestión dos últimos séculos, desde que se empezaron a estudar cuestións relacionadas coa electricidade. A primeira mención desta conexión fíxoa WALL (1708), quen, tras observar as fervenzas e iluminacións entre os seus dedos e o ámbar cargado, suxeriu «que representaban aparentemente o proceso dos tronos e raios». Posteriormente, o científico GRAY (1735) expuxo una opinión similar sobre a observación do lume eléctrico, e winkler (1746) realizou una comparación detallada entre o arco eléctrico e a descarga do raio.

Os primeiros experimentos sobre a electricidade das nubes de trono realizáronse cara a 1750. Para entón xa inventara a xerra de Leyden, que servía paira almacenar e almacenar a carga eléctrica, e Franklin tentou obter electricidade das nubes de trono, illando un punto do chan nunha antiga torre. Aínda que o nome de Franklin chegounos, parece ser que o primeiro en conseguilo foi D’ALIBARD (1752), illando paira iso o pau longo de ferro (~ 13 m) cunha botella de vidro e mantendo os apoios de madeira (o día dos resultados positivos foi de 1752-V-10).

Un mes despois, Franklin realizou a proba cun cometa de fío condutor, que tamén obtivo resultados positivos. A partir de aí chegaron outros experimentos até chegar á invención do pararraios. Hai que dicir que neles non se produciu un accidente grave, xa que en todos os casos as fontes de corrente foron os locais de descarga das pequenas rexións de nubes e non os verdadeiros raios. Non sucedeu o mesmo en 1753 en San Petersburgo, onde o profesor RICHMANN morreu ao atrapar o verdadeiro raio ao condutor do seu experimento.

Potencial eléctrico na atmosfera

Comecemos por presentar os resultados das medicións da electricidade atmosférica. Tendo en conta os valores medios, nun territorio chairo ou sobre o mar, ao ascender o potencial eléctrico de campo aumenta, cun gradiente aproximado de 100 V/m. É dicir, o valor do campo eléctrico E é de 100 V/m, con dirección vertical e sentido descendente

Como se pode apreciar na figura, a superficie terrestre compórtase como un condutor, con carga negativa, formando una superficie equipotencial e o resto formando esferas concéntricas próximas. Con todo, cando na superficie hai irregularidades (ou persoas), no esquema anteriormente descrito aparecen deformacións. De feito, no noso caso, pode ser interesante analizar que pasa. A primeira vista, do devandito anteriormente, podemos pensar que existe una gran diferenza de potencial entre nós mesmos e os pés (~ 170 V en función da altura da persoa). Pero as cousas non pasan así. En realidade, o corpo humano é un condutor suficiente, polo que en contacto co chan existe una tendencia a alcanzar o mesmo potencial, é dicir, a formar una superficie equipotencial coa superficie terrestre. En consecuencia, a superficie equipotencial circundante aparece deformada, tal e como se mostra na figura 2.

Neste traballo non imos falar dos métodos de medición do campo eléctrico atmosférico, paira o que podemos partir da referencia. Con todo, ao subir cara arriba esta zona é cada vez máis lenta, sendo moi pequena ao alcanzar os 50 km. En principio, o potencial vaise incrementando até esa altura, cunha diferenza de potencial entre puntos locais e superficiais de 400.000 V, tal e como se mostra na Figura 3. Segundo o seu esquema, podemos considerar como una capa superior positiva e a inferior como negativa.

No entanto, como veremos no seguinte apartado, existe una corrente vertical que, tendo en conta a totalidade da Terra, vale na súa totalidade 1.800 A. En consecuencia, pódese pensar que co tempo producirase a descarga da capa superior e que finalmente os dous potenciais igualaranse. Pero as cousas non son así, e esa diferenza de potencial é bastante persistente, a pesar das mínimas incidencias. Máis aínda, as citadas incidencias teñen una gran regularidade cunha frecuencia dun día. De feito, as medicións mundiais indican que a evolución media do campo eléctrico ao longo do día móstrase na Figura 4. Como se pode observar, o valor máximo sitúase en torno ao ± 15%, medido ás 7 de tárdea e o mínimo ás 4 da madrugada (hora de Greenwich). Quizá o máis destacable é saber que en calquera rexión da Terra obtéñense resultados similares, á mesma hora que en Greenwich.

Conductividad eléctrica do aire. Correntes eléctricas na atmosfera

A pesar de que o aire é illante en si mesmo, as medicións na atmosfera indican que, ademais do campo eléctrico, existe corrente en dirección vertical, sendo a súa densidade de corrente moi baixa (da orde de ^10-12 A/m2). De onde vén esa conductividad?

De feito, existen varios iones no aire, formados por distintas orixes. En definitiva, dúas son as principais formas de producir iones á atmosfera. O que primeiro se entendeu é por radioactividade. Na superficie terrestre e no po atmosférico hai una serie de elementos radioactivos naturais, e as partículas de gran enerxía que se xeran na súa desintegración teñen a capacidade de ionizar moléculas de aire. No entanto, a ionización por elementos radioactivos é cada vez menor coa altura, xa que a maioría dos radioisótopos atópanse no chan ou no po circundante. Con todo, as medicións en globo indican que a ionización por unidade de volume aumenta en función da altura.

Estas medidas son XX. Celebráronse nos primeiros vinte anos do século XX e sorprenderon aos físicos, que, sen unha explicación adecuada, crían que debía ser o contrario. A explicación veu da man dun novo fenómeno descoñecido, o descubrimento dos raios cósmicos. Hoxe sabemos que os raios cósmicos proveñen de fóra da Terra e canto máis arriba soben á atmosfera, máis sente a súa influencia. Así, os raios cósmicos son o outro motor da continua formación dos iones e a causa de que o seu número sexa maior e maior.

Convén tamén facer una observación sobre a natureza dos iones. Por unha banda, temos os iones creados por ionización das moléculas de aire, que podemos denominar iones “pequenos”, pero ademais hai que ter en conta outros. Tamén flotan po ou impurezas no aire, que tamén poden estar cargadas formando iones “grandes”. Por exemplo, pola causa das ondas do mar poden chegar á atmosfera pingas de auga moi pequenas que ao evaporarse poden quedar pequenos cristais de NaCl flotando no aire. Cargados este tipo de cristais, temos algúns “grandes iones”. Por suposto, os pequenos iones desprázanse moito máis rápido que os grandes iones.

En todo caso, a conductividad do aire, baseada na mobilidade dos iones, increméntase en función da altura da superficie terrestre, por dous motivos consecutivos. En primeiro lugar, porque a ionización causada pola causa dos raios cósmicos vai aumentando en función da altura e, en segundo lugar, porque a densidade vai diminuíndo, debido a que as vías interceptivas dos iones van aumentando, aumentando a conductividad.

A 50 km de altura existe una gran conductividad que na práctica pode asimilarse á dun condutor nesta capa. A partir desta altura podemos considerar que a área potencial non se ve alterada, tal e como se indicou anteriormente na figura 3. Como nota, a pesar de ter un alto grao de ionización, non se debe mesturar esta capa coa chamada ionosfera. A ionosfera iníciase a uns 100 km de altura, sendo a principal xeración de iones locais a de fotoelectricidad producida polos raios solares, e cunha característica curiosa a reflexión das ondas de radio, o que permite a propagación das emisións de radio, que permite conducir as ondas de radio. En calquera caso, volvendo á capa duns 50 km, a elevada conductividad en dirección horizontal sitúanos na comprensión da uniformidade a través da Terra mostrada na figura 4, considerada como una capa condutora de todo o globo terráqueo, xa que tende a igualar rapidamente o potencial.

Con todo, aínda que aclaramos dalgunha maneira o porqué da uniformidade do potencial, aínda non se explicou. En concreto, como se indicou anteriormente, a pesar de que a densidade de corrente cara á superficie terrestre é moi baixa, dado que a súa superficie é moi elevada, a corrente media desde a capa superior á superficie terrestre é duns 1.800 A. Por tanto, cunha diferenza de potencial de 400.000 V, temos una potencia continua duns 720 MW. Pódenos vir una pregunta enseguida. Se esta corrente continua funcionando sen renovación, en breve desaparecería a carga da capa superior, paralizando o proceso. Como é posible non descargar a capa superior? Onde está a “máquina” ou “batería” que mantén o proceso en continuo funcionamento? Segundo as teorías existentes, a superficie (+)/capa superior (-) parece estar a recargar constantemente o sistema, estando o eixo e a esencia do proceso de carga nos raios de trono.

Proceso de carga por raio

Segundo as medicións realizadas, durante a caída dos raios pásanse cargas negativas á superficie terrestre na maior parte dos casos (nove de cada dez). Así, debido ás agresións de tronos que se están producindo ao longo de todo o planeta Terra, a superficie terrestre está a cargarse constantemente cunha corrente media de 1.800 A, carga que se está descargando constantemente ao longo do día en rexións de bo tempo, cunha densidade de corrente aproximada de 10-12 A/m2 antes mencionada, manténdose un ^equilibrio de día a día (con subidas segundo o proceso descrito na figura 4).

Cantos ataques de tronos prodúcense no mundo? Non é fácil dar datos concretos respecto diso, entre outras cousas porque non é posible realizar una observación directa na maioría das rexións, como nos mares que cobren a maior parte da superficie terrestre. Por outra banda, é coñecida a maior intensidade dos ataques de tronos nas rexións tropicais. En calquera caso, realizáronse estimacións de diferentes tipos, segundo as cales en toda a Terra caen uns 100 raios de media por segundo, sendo a súa maior actividade cara ás 7 de tárdea (hora de Greenwich), de acordo coa explicación da figura 4 anterior. Ao parecer, ao realizar cada raio en 20 Coulomas aproximadamente, pódese explicar o valor da corrente de carga do sistema.

Nota: Paira ver as imaxes en formato PDF.