Rayos que empiezan siendo cósmicos

[KyAlOx]

La respuesta es que necesitamos crear cargas libres rompiendo las moléculas de aire que están entre la nube y el suelo. Como todos sabemos, los átomos están formados por electrones de carga negativa que rodean un núcleo positivo. Como las cargas de signo opuesto se atraen, los electrones se sentirán fuerza eléctrica hacia abajo (debido a que la carga positiva que se ha inducido en superficie). Mientras que los núcleos se ven atraídos hacia arriba por el granizo negativo que se encuentra en el corazón de la nube.

Por lo tanto, el núcleo y los electrones sufren fuerzas en sentidos contrarios. Si el campo eléctrico es suficientemente grande como para compensar la fuerza que mantiene los electrones unidos al núcleo, el átomo se romperá. Tendremos un electrón libre por un lado, y un ion positivo por el otro. Como tenemos cargas libres, el aire se convierte en conductor.

Ahora bien, en realidad no es necesario que el campo eléctrico sea tan grande como para arrancar electrones directamente. Debido a que el aire está a cierta temperatura, sus partículas se mueven a gran velocidad y colisionan entre ellas frecuentemente. Al hacerlo, algunos electrones son momentáneamente promocionados a estados de energía superior, es decir, más alejados del núcleo. Estos electrones son más sencillos de arrancar.

Si un electrón consigue liberarse de su átomo de esta forma, en condiciones normales volverá a él rápidamente debido a la atracción eléctrica entre ambos, lo cual se conoce como recombinación. Pero si el campo eléctrico es suficiente, podría acelerarlo y ayudarle a escapar de la atracción atómica antes de volver a ser atrapado.

Al ser acelerado, este electrón acabará colisionando con otro átomo. Si ha alcanzado suficiente energía, la colisión puede ionizarlo. Es decir, arrancará un segundo electrón. Al ser acelerados, ambos electrones podrán colisionar con dos átomos más, arrancando cada vez más electrones. Se produce una reacción en cadena que recibe el nombre de avalancha. Cuando esto ocurre, decimos que se ha roto el dieléctrico.

Este mecanismo de avalancha permite que el aire se convierta en conductor bajo un campo eléctrico menor, que por si sólo no podría romper todos los átomos. Aún así, los campos eléctricos registrados en el interior de las nubes no es suficiente. A presión atmosférica, la ruptura dieléctrica del aire se producir al rededor de los 2500kV/m, un orden de magnitud por encima del campo eléctrico disponible en una tormenta.

Por lo tanto, por si sola, la tormenta no puede ionizar el aire. Los rayos no deberían ser posibles. Esto fue un misterio hasta que, en 1992, Alex Gurevich propuso la teoría del Runaway breakdown (que traduciremos libremente como ruptura relativista del dieléctrico).

Todo comienza con un electrón de muy alta energía, moviéndose libremente en el interior de la nube. Como es tan tremendamente energético, se mueve prácticamente a la velocidad de la luz (que es la máxima posible). Al moverse tan rápido, recorre una gran distancia antes de colisionar con moléculas de aire, su recorrido libre medio típicamente está al rededor de 50-100m.

Como recorren una mayor distancia, la diferencia de potencial entre el punto donde fue creado hasta donde colisiona con una molécula de aire es mucho mayor. Eso quiere decir incluso un campo eléctrico pequeño puede proporcionar mucha más energía que si el electrón fuera lento (los electrones lentos colisionan con el aire tras recorrer a penas 1cm, así que requieren mayor campo eléctrico para proporcionar suficiente diferencia de potencial, como vimos anteriormente).

Al colisionar contra una molécula de con tanta energía, arrancará muchísimos electrones. La gran mayoría serán lentos, ya que les corresponderá una pequeña parte de la energía. Sin embargo, unos pocos serán muy energéticos, se moverán prácticamente a la velocidad de la luz y recorrerán una gran distancia antes de volver a colisionar. Como antes, a lo largo de esa distancia, incluso un campo débil proporcionará suficiente diferencia de potencial para que los electrones recuperen la energía perdida en la colisión, pudiendo arrancar más electrones de alta energía al colisionar.

En definitiva, se produce una avalancha similar a la normal, pero a una escala energética mucho mayor, prácticamente a la velocidad de la luz, y con una distancia mucho mayor (al rededor de 50m) entre cada escalón. El campo eléctrico necesario para que se produzca esta avalancha relativista es mucho menor, por debajo de los 300kV/m, algo sí hemos podido medir dentro de las nubes de tormenta.

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[KyAlOx]

Re: Rayos que empiezan siendo cósmicos

Kyalox, el artículo continúa, ¿has mirado la segunda, tercera y cuarta página?

LOOOL, sabía que no podía acabar así xDD pero eran altísimas horas de la noche y no encontré ningún botón de "siguiente" ¬.¬ no comments...ya me extrañaba a mí todo un poco. En fin, lo dicho, sin comentarios.

Respecto al artículo, ¡es una maravilla! No me había detenido nunca a pensar demasiado en el origen de los rayos por considerarlo complicado, pero la verdad es que ni de lejos me esperaba que tuvieran como origen los rayos cósmicos.

K.

[Chusg]

Buen artículo. Interesante y muy divulgativo.

[Adosgel]

Comparto la opinión de los intervinientes anteriores. Me ha gustado el artículo y me ha sorprendido que el origen de los rayos sean partículas exteriores con velocidades relativistas (lo que después de la explicación parece de lo más lógico).

No se porque, nunca me he parado a estudiar este proceso ... con lo que me gusta observar las tormentas.
De ahora en adelante las disfrutaré de otra manera más analítica (además de su hermosura y grandiosidad).

Saludos.