Rayos que empiezan siendo cósmicos

[KyAlOx]

Estas cascadas de origen cosmológico ocurren constantemente en todo el mundo. Si, por casualidad, estos electrones entran en una nube de tormenta que ha acumulado suficiente campo eléctrico, pueden disparar el proceso de ruptura relativista del que hemos hablado. Los electrones altamente energéticos arrancados de los átomos de aire serán aún más acelerados hacia abajo por el campo eléctrico. Tras recorrer al rededor de 50m de media, chocarán con más átomos de aire arrancando más electrones relativistas.

La emisión de nuevos electrones normalmente se produce en la misma dirección debido a la conservación del momento. Sin embargo, la gran cantidad de electrones lentos que se producen al mismo tiempo también se quedan algo de momento, así que es posible que a cada nuevo paso la avalancha se desvíe un poco. Esto lo que produce la apariencia escalonada de los rayos.

Incluso es posible que se emitan electrones relativistas en diferentes direcciones, de forma que el teórico centro de masas tiende a seguir en línea recta, lo que provoca la características bifurcaciones.

Esta avalancha descendente de electrones recibe el nombre de líder (un rayo normalmente se divide en diferentes líderes). Desciende prácticamente a la velocidad de la luz (aunque con algo de retraso producido por cada colisión-reemisión), abriendo un camino conductor a lo largo del aire. En su conjunto, el proceso puede durar unas décimas de segundo.

Estos líderes transportan corrientes eléctricas relativamente pequeñas, del orden del centenar de amperios, produciendo una luz prácticamente imperceptible comparada con la descarga principal. Sin embargo, en vídeos de muy alta velocidad es fácil distinguirlos.

Cuando un líder negativo se aproxima lo suficiente al suelo a al suelo, la atracción eléctrica puede llegar a arrancar las cargas positivas que se han acumulado bajo la tormenta. En consecuencia, se crea un líder positivo ascendente. Cuando ambos líderes se encuentran, se hace contacto y el circuito se cierra, proporcionando el camino de menor resistencia. Como toda la corriente se centra en el canal principal, el resto de líderes suelen desaparecer (aunque excepcionalmente pueden llegar a hacer contacto dos o más).

Cuando el camino está formado, con un diámetro de apenas un centímetro, los electrones poco energéticos que aún no han tenido tiempo de ser recombinados se precipitan hacia abajo, libres de resistencia eléctrica. Primero se precipitan los que están más cerca del suelo, por lo que da la apariencia que la descarga sube, en vez de bajar. Esto es lo que se conoce como descarga de retorno.

Sin duda, también hay iones positivos que emprenden el camino contrario. Pero debido a su enorme masa (miles de veces superior a la de los electrones), su movilidad es muy reducida. El resultado neto es que el exceso de carga negativa almacenada en la parte media de la nube baja por el canal conductor para compensar la carga positiva inducida en superficie.

Hay que tener en cuenta que, por convenio, el sentido de la corriente eléctrica se toma según el movimiento de carga positiva. Por lo tanto, la corriente del rayo es ascendente, por bien que la mayoría de portadores se mueven hacia abajo, ya que son electrones negativos.

Tras la descarga principal, habitualmente ocurren diversas chispas descendentes unas tres o cuatro, separadas unos 40 o 50 milisegundos, a medida que se descargan diversas zonas de la nube.

Una descarga media produce corrientes de 30 mil amperios, transfiriendo un total de cinco culombios de carga (equivalente a $3\cdot10^{19}$ electrones), liberando 500 millones de julios en el proceso. Rayos especialmente potentes pueden multiplicar por 4 estas cifras. En el momento de mayor intensidad, de media alcanzan una potencia pico de un teravatio ($10^{12}$W), durante 30 millonésimas de segundo.

Como hemos dicho, además de los electrones relativistas del líder, también se producen una ingente cantidad de electrones lentos, entre $10^{19}$ y $10^{21}$. Aunque tienen un tiempo de vida muy corto (son rápidamente atrapados por los iones positivos para volver a producir átomos neutros), son acelerados por el campo eléctrico y recorren una cierta distancia. Como son muchos, esto proporciona una enorme corriente que emite ondas de radio Esta onda es de muy baja frecuencia, y apenas dura medio microsegundo, pero contiene una enorme energía: puede llegar a producir una potencia de $3\cdot10^{11}$ W. La medición de este pulso de radio es una de las mayores pruebas experimentales en favor de la teoría de la ruptura relativista.

Además, la presencia de electrones relativistas en la atmósfera debe producir emisiones de luz de muy alta energía: rayos X (detectados por primera vez en 2001 por parte de Charlie Moore en Socorro, Nuevo México) y, en algunos casos particularmente energéticos, incluso rayos gamma.

Lo que hemos explicado es el tipo de rayo más común que toca el suelo. Sin embargo, el 80% rayos se producen entre nubes. El proceso es similar, y resultan en la recombinación de las cargas que se habían separado anteriormente.

Además, existen diferentes tipos de descarga. Los más espectaculares son rayos que se proyectan de la nube hacia arriba, alcanzando varios kilómetros. Se conoce como duendes (sprites), jets azules y elfos (elves)

En definitiva, aunque los rayos de tormenta nos parezcan de lo más terrenal, en realidad comienzan como emisiones en los confines del universo. Tras surcar el enorme vacío, ayudan a liberar la enorme energía eléctrica acumulada lentamente por la colisión de miles de gotitas sobre-enfriadas con copos de nieve.


Bibliografía

How cosmic rays trigger lightning strikes, New Scientist, agosto 2005

Lightning, Wikipedia

Runaway Breakdown and the Mysteries of Lightning, Physics Today, mayo 2005

[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.