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Sir Porthos

[CLP] Fenómenos eléctricos en la atmósfera: Tormentas eléctricas, Rayos y Relámpagos

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Sir Porthos Rey Vendrick

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Electricidad en la atmósfera

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La superficie de la tierra está cargada negativamente y sobre ella existe un campo eléctrico de forma vertical de aproximadamente 100 volt por metro a nivel del mar. Sin embargo, este campo eléctrico se debilita mientras nos encontremos a mayor altitud.
Desde la superficie (a nivel del mar) hasta la parte alta de la atmósfera existen 50.000 metros aproximadamente con una diferencia de potencial de unos 400.000 volts.
Por tanto, la tierra actúa como capacitor esférico con cargas negativas de un millón de couloumbs y con cargas positivas en la atmósfera.

Por otro lado la densidad de la corriente eléctrica en la atmósfera es de 10 microamperes por metro cuadrado paralelo a la tierra, producto del campo eléctrico y de la conductividad (iones en el campo eléctrico produciendo corriente), esta pasa del cielo a la tierra. La ionización entonces, aumenta a cada unidad de volumen por altura y es producida fundamentalmente por los rayos cósmicos.

¿Por qué sabemos que el aire se ioniza?

Gracias al físico Charles Thomson Rees Wilson, premio Nobel de física en 1927 y su invento la cámara de niebla podemos detectar partículas de radiación ionizante. En otras palabras, detectamos las células del aire que están cargadas negativamente en ambientes en los cuales el vapor de agua está super-enfriado o super-saturado. Debido a esto pudimos observar las trayectorias de las partículas de cargas eléctricas por condensación de vapor y formuló la teoría sobre la Separación de cargas en tormentas eléctricas.

Explicación del fenómeno:

Al formarse gotas de líquido en un campo eléctrico, poseen un momento dipolar inducido. Este fenómeno en una molécula de agua tiene una carga neutra (igual de número de protones y electrones), si los electrones están distribuidos asimétricamente entonces es una molécula polar sobre la cual el oxígeno concentra una densidad de carga negativa y los núcleos de hidrógeno quedan sin electrones por tanto, carga positiva. Entonces, las gotas actúan como dipolos.
La carga negativa del oxígeno de la molécula de agua ejerce atracción electroestática sobre las cargas positivas de los átomos de hidrógeno; en la práctica, vemos a la gota cargada positivamente por arriba y cargada negativamente por abajo. Los iones positivos lentos pasan de largo cuando la gota va cayendo (no pueden igualar su velocidad) pero sin embargo, si atrae a los iones negativos lentos los cuales se cargan negativamente. Por tanto ahora pasamos a tener iones positivos arriba y iones negativos abajo. El aire circundante se ioniza, los átomos chocan y se sueltan los electrones provocando las cargas eléctricas.

Cada molécula de agua tiene uniones mediante puentes de hidrógeno con otras cuatros moléculas de agua, por lo que forma una estructura reticular con comportamiento dipolar. Una partícula que esté cargada interactúa con el vapor, debido a que los iones actúan como núcleos de condensación alrededor de los cuales se forma la gota. En el campo magnético vertical descrito en un comienzo las partículas cargadas se curvan en sentidos opuestos dependiendo de su carga (positiva o negativa). El positrón se curva hacia la izquierda, el electrón hacia la derecha. Sin embargo, si lo vemos en la práctica, el positrón se mueve hacia arriba porque ha sido reflectado hacia abajo debido a la curva de la parte inferior.

Pero, ¿cuál es la función de las tormentas eléctricas?

En el aire flotan núcleos, que correspondan a partículas de polvo que viajan cargadas y se combinan con los cristales de cloruro de sodio (la sal) derivados del oleaje marino formando macro-iones, los cuales varían el potencial del aire; el cual es máximo a las 19:00 (hora de Greenwich). Por tanto, la conductividad lateral en la parte superior de la atmósfera aumenta para evitar diferencias de potencial locales en la parte baja (sectores aislados).

La corriente eléctrica carga positivamente la superficie de la tierra con 1750 amperes. Si sólo existiese dicha carga, la tierra se descargaría en menos de una hora. Es por eso que existen las tormentas eléctricas.
El 90% de los rayos que se generan llevan cargas negativas produciendo diariamente 40.000 tormentas (100 rayos por segundo) siendo el máximo de actividad a la hora señalada inicialmente.

¿Y qué es una tormenta eléctrica?

El aire está formado por varias células moleculares, las cuales están condicionadas por las corrientes ascendentes de aire tibio/ húmedo y descendentes de aire frío/ seco. El descenso del aire frío provoca que el aire caliente se condense. Al condensarse libera calor que volverá a subir para enfriarse, llamado enfriamiento adiabático cuando sube sin intercambiar calor con su entorno o convección térmica cuando las nubes alcanzan el mayor desarrollo vertical posible intercambiando calor con su entorno (esto es lo más común) y provocará que suba a velocidades cercanas a 100 kms. por hora hasta 15.000 metros de altura. Las cargas positivas se separan de las negativas en la corriente ascendente y los cristales que suben se cargan electroestáticamente positivos y los cristales negativos caen en la capa del centro acumulando carga electroestática negativa.

Las gotas condensadas se sobreenfrían (a menos de 0º Celsius) por lo que se convierten en hielo. Dichas partículas de hielo caen y arrastran el aire de alrededor creando una corriente de aire frío que baja de gran altura. Esto es el frío que sentimos antes de una tormenta. Luego de esto empezamos a ver relámpagos en el cielo.

Todo esto finaliza cuando ha bajado toda la corriente fría de gran altura, caen las últimas gotas y las células llegan a su fin.

¿Qué es un rayo?

Una corriente eléctrica vía nube-nube o nube-tierra. La parte superior de la tormenta eléctrica (a 7,5 kms de altura y a -20º Celsius) tiene carga positiva y la parte inferior (a 3 kms de altura y -10ºC) tiene carga negativa, restando una pequeña parte de ésta que tiene carga positiva. Dicha pequeña carga produce diferencias de potenciales de entre 50 a 100 millones de voltios entre nube y tierra, superando el potencial de ruptura del aire. Los rayos aparecen y transportan carga negativa a la tierra, las células pierden su corriente pero se regeneran en tan sólo cinco segundos.

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¿Cómo se hace el rayo o relámpago? (en inglés la tienen más fácil, simplemente es lightning. Dicho sea de paso, ambas palabras refieren a lo mismo, pero en español salvamos la diferencia teórica que el relámpago equivale al resplandor lumínico en el cielo)

Una nube con una carga negativa está sobre la superficie con carga positiva como hemos referido y potencial negativo. Se produce la primera descarga, una guía escalonada que baja a 1/6 la velocidad de la luz y que al recorrer 50 metros inicalmente se detiene durante 50 microsegundos y sigue (puede parar más de 10.000 veces), al ir bajando ioniza el aire que no lo está.
A 100 metros del suelo, la tierra responde. Se produce la conexión y la carga de la nube se escapa. Lo que nosotros vemos es el rayo de retorno, cuando la tierra ha respondido. Debido a la velocidad que lleva creemos que ha bajado del cielo, cuando es al revés. Y lo que observamos tiene un brillo tan potente que sería igual a cien millones de bombillas encendidas juntas.
El calor producido por la descarga eléctrica calienta el aire, lo expande y produce una onda de presión similar a una onda sonora, lo que conocemos como trueno. Dado que la velocidad del sonido (340 metros por segundo) es inferior a la de la luz (140.000 kms por segundo) escuchams después de que el rayo desaparece.
La temperatura es tal que supera los 25.000º Celsius, aproximadamente unas cinco veces la temperatura de la superficie del sol.

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GIF encontrado en el hilo de loles del OT. Agradezco al forero ZedMillenium el colocarlo.

Al desaparecer el rayo de retorno, baja otro pero sin pausas; el denominado rayo oscuro. Que hace exactamente lo mismo, lleva cargas negativas y cuando toca tierra y envía otro rayo de retorno (este fenómeno puede suceder entre veinte a cuarenta veces).

¿Por qué vemos relámpagos con ramificaciones como el del gif?

Porque la descarga al bajar puede ramificarse, e incluso una rama puede llegar al suelo antes que otra. Por tanto el rayo oscuro puede surgir cuando otra rama llega al suelo; si esto sucede manda el retorno por otra rama, viendo el rayo en un lugar y el siguiente en otro.

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Tipos de rayos

Recordemos que los rayos suelen llevar entre 30 a 120 kilo-amperes y transfieren más de 500 mega joules . Todos estos fenómenos ocurren en la tropósfera, por lo que podemos ver en el cielo

Rayos nube-nube o laminares
El más conocido y segundo más común. Es una descarga entre un cúmulonimbo y una nuble cualquiera producto de la diferencia de cargas positivas y negativas.
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Rayo nube-tierra (el proceso descrito)
Cartas negativas de la nube se dirigen a las cargas positivas de la tierra.
Rayo burbuja
Un rayo entre un cúmulo-nimbo y otra nube, pero que enlaza a otra nube repentinamente y lo usa como canal de descarga. Es muy raro ver uno.
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Rayos difusos
Resplandores en el cielo, no se ven chispas ni se escuchan truenos.
Rayo en cinta
Con la imagen queda muy explicado. Esto ocurre porque los rayos de retorno son múltiples que están atravesando vientos a grandes velocidades.
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Rayo Stacatto
Un rayo nube-nube que se ramifica. Las ramificaciones se acortan a partir del rayo original, igual que la ejecución musical a la que debe su nombre.
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Rayo Tenedor
Un rayo nube-tierra. Varias descargas (tres o cuartas) con ramificación desde su origen.
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Rayo Luminoso
Rayos que ocurren tan lejos que no los escuchamos, ya que las ondas de sonido se disipan antes que llegan. Debido a a su lejanía, en caso de que los veamos ocurre algo
similar a esto:
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Rayo Seco
Produce chipas, luminosidad y truenos. Sin embargo evapora todas las gotas de agua antes que estas toquen el suelo, por lo que no vemos ni sentimos lluvia.
Raros esferoidales
Esferas luminosas que iluminan en el cielo. Responsables de que la gente crea que ve ovnis. No se sabe aún porque se producen. Aunque se cree que es una combustión interna producto de un vórtice en la nube al momento de la descarga.

Fenómenos extraños

Sobre una tormenta eléctrica, se pueden producir descargas simultáneas nube-tierra positivas los cuales pueden ser:

Blue Jets
Se producen en la parte baja de la ionósfera (40 kms por sobre la tormenta), pero son observables en la zona de la estratósfera.
Sprites
Se produce a gran altura (entre 70 kms por sobre una tormenta), y los observamos en la mesósfera.
Elves
Se produce en la parte alta de la ionósfera (a 100 kms por sobre la tormenta), correspondiente a la termósfera.
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Para terminar podemos decir que las partículas de ceniza en una erupción volcánica también generan rayos debido a que aumentan rápidamente la temperatura del aire circundante. El proceso es prácticamente el mismo, sólo que el proceso es algo más caótico y espectacular.

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Peligros asociados

Bueno. Poco se puede decir sobre que te caiga un rayo encima: es muerte instantánea. Sin embargo, es muy poco común que esto suceda, existe una entre 79.746 probabilidades de que esto ocurra. Por lo que habría que tener muy mala suerte, cosa que alguna gente le ha sucedido:

Sólo se registran dos accidentes aéreos con rayos, donde la potencia de la descarga destruyó el avión matando a todos sus ocupantes. Uno fue en 1963 en un vuelo de la Pan Am y otro de un vuelo lansa en Perú en 1971.
En la historia también se han registrado varios accidentes graves, como relámpagos que han destruido iglesias (por el problema de las cruces de hierro en lo alto), la torre Eiffel que la parte superior fue destruida en 1902 o el último en Egipto que cayó un rayo sobre una estación de gasolina matando a más de 400 personas en la explosión, en 1994.

¿Cómo detenemos un rayo?

Para detenerlo debemos de atraerlo, y para eso necesitamos saber la técnica Kirin de Sasuke. Como esto sólo pasa con las condiciones físicas del universo de Naruto, nosotros debemos conformarnos con un pararrayo. Tema que será cubierto próximamente.

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Referencias bibliográficas:

Aunque todo el texto está redactado íntegramente por mí, las explicaciones están elaboradas a partir de los diagramas de las celdas eléctricas encontrados en el libro:

Lectures on Physics Vol. II - Richard Feynman
Sub sección: Fenómenos eléctricos

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ZeKi_12 Midna

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Impresionante.

Muy muy buen post, si señor.


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bincode2 Humano

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Buenisimo el post, gracias por avisarme de que lo acabaste ;)

Es interesante saber que la ionizacion de el aire es en parte responsable de los rayos :D

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pores_old King

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Como siempre, de 10 Sir Porthos. Me a parecido curioso lo de que al erupcionar los volcanes tambien se producen rayos. No tenia ni idea, y la verdad es que resulta espectacular.

Tambien, y esto no se si pasa con frecuencia o es más bien por tormentas, e visto muchas veces por la television que durante los huracanes que a veces pasan por EEUU (Arizona, Texas, etc...), los más grandes, se ve por encima de ellos siempre rayos que no llegan a caer al suelo, si no que simplemente estan por arriba, retumbando en el cielo. ¿Podrias dar una pequeña explicación sobre esto, en caso de que sepas algo? Si no sabes nada es que seguramente yo este equivocado, por lo que, te pido perdon en todo caso.

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---------------------No al cierre de WEBS--------------------

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jiraiyasama Genos

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Muy interesante el post! Me ha gustado mucho el gif con el rayo mostrado a cámara lenta y los diferentes tipos que existen.

También muy buena la explicación sobre cómo detener un rayo conociendo la técnica Kirin de Sasuke xDD

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Markus Barca TERRESTRIS VERITAS

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Muy currado si Señor, sobre todo subiendo las fotografías. No sabía que se produjesen rayos en las erupciones volcanicas, me pregunto que clase de rayos se habran producido en la erupción del volcan ese islandés que ha parado medio mundo...

La envidia es el único homenaje que el mediocre sabe hacerle al talento.

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more/DSLam Gwyn, Señor de la Ceniza

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vida restante: 100%

Muy currado si Señor, sobre todo subiendo las fotografías. No sabía que se produjesen rayos en las erupciones volcanicas, me pregunto que clase de rayos se habran producido en la erupción del volcan ese islandés que ha parado medio mundo...

 

Rollito apocalipsis vamos :o

 

http://www.swisseduc...0100416-en.html

 

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bils Midna

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Muy buen post, solo como nota personal y estudioso de los rayos a nivel aficionado y electricista a nivel profesional, te diré que ninguna teoría de la potencia, intensidad y tensión de los rayos esta comprobada científicamente, son solo estimaciones.

También en las zonas donde mas tormentas eléctricas suelen ocurrís se están llevando a cabo exprimentos para intentar aprovechar la energia de los rayos, ya que seria una gran fuente de energía limpia y renovable que podría equivales a la de una central nuclear.

Como siempre en estos casos el avance es lento y esta siendo un rotundo fracaso, ya ningún aparato es uan capaz de resistir las intensidades de un rayo.

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Guest
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