Electrometeoros y aerosoles piroeléctricos

 Nelson FalcónAmilkar QuinteroUniversidad de Carabobo. FACYTDepartamento de Fí[email protected]@[email protected] electrometeoros, como los rayos y los relámpag...

Electrometeoros Y Aerosoles Piroeléctricos
 Nelson FalcónAmilkar QuinteroUniversidad de Carabobo. FACYTDepartamento de Fí[email protected]@[email protected] electrometeoros, como los rayos y los relámpagos, son manifestaciones del campo eléctrico atmosférico y de la pluviosidad. La microfísica asociada de los electrometeoros parece estar asociada también a las propiedades físicas y químicas de la atmósfera local de ocurrencia. El metano es un aerosol asociado a la microfísica atmosférica. La concentración de metano en la troposfera superior podría favorecer la formación de núcleos polares donde el campo eléctrico se incrementa localmente en las nubes de tormentas. Se presenta un estudio microfísico de la influencia del metano como agente cocausal de los electrometeoros en la atmósfera baja. El modelo teórico elaborado muestra de que manera está vinculado el campo eléctrico local y los aerosoles piroelectricos, como el metano, con los procesos microfísicos de la convección y el transporte de cargas en nubes de tormentas. Se concluye que los cristales piroelectricos facilitan la génesis de electrometeoros en tormentas.Palabras claves: Electrometeoros, piroelectridad, aerosoles, metano, tormenta, rayo.1. INTRODUCCIÓNEn la atmósfera terrestre existe un campo eléctrico cuasi estático que varia con respecto a la altura. A diferencia del gradiente de presión y temperatura, la variación del campo eléctrico no ha sido bien descrita, y no se conoce con certeza su origen; sin embargo se conoce que esta variación del campo eléctrico local es el responsable de la actividad eléctrica atmosférica [1], cuando se forman nubes con ciertas características de forma y tamaño. Los electrometeoros (Rayos, relámpagos y “Fuegos de Santelmo”) están comúnmente presentes en las nubes de tormentas. Las nubes de tormentas o cumulonimbus alcanzan altitudes que varían desde menos de 1,6 Km hasta más de 13 Km sobre la tierra, y poseen una forma de cúpula o de madejas de lana, y de yunque en la cumbre.Diversas hipótesis se han propuesto para modelar el incremento del campo eléctrico local en el interior de las nubes de tormentas, y la formación subsiguiente de las corrientes de avalancha que originan los electrometeoros, sin que haya alcanzado todavía un consenso o explicación satisfactoria en los mecanismos de carga de las celdas nubosas [1] [2].Los mecanismos microfísicos propuestos para la generación y distribución espacial de la carga en las nubes de tormentas parecen actuar en diversas etapas del desarrollo de las nubes convectivas y de las tormentas. En la etapa inicial los procesos de generación de cargas son por difusión y por arrastre (deriva) en el seno del campo eléctrico de buen tiempo, cuando su desarrollo vertical es del orden de los pocos kilómetros los principales procesos de separación y generación de cargas pudieran deberse a la selección y la captura iónica por las gotas polarizadas o a la ruptura de las gotas por colisiones. En la etapa ulterior de desarrollo de las nubes de tormenta se han propuestos varios factores concomitantes, tales como la transferencia de cargas entre gotas polarizadas, la inducción y polarización eléctrica de las gotas causadas por convección, la transferencia de cargas entre partículas a diferentes temperaturas y la incorporación selectiva de iones por aerosoles disueltos en el hielo [1] [3]. Ninguno de estos mecanismos ni modelos toma en cuenta el incremento del desplazamiento eléctrico en el interior de las nubes convectivas por la presencia de aerosoles. Esta pudiera ser una seria omisión toda vez que los electrometéoros no siempre están asociados a la pluviosidad, vale decir no siempre las nubes de tormentas manifiestan una conspicua actividad eléctrica a pesar de que en ellas se dan los procesos de coalescencia, convección y colisión iónica de partículas de hielo y gotas de agua, tradicionalmente invocados para explicar los electrometéoros [4] [5].Más de las veces se invoca procesos de carácter fenomenológico de convección y de transporte iónico, para explicar las descargas eléctricas en nubes de tormentas sin una formulación cuantitativa que permita caracterizar las corrientes de avalancha y las características observables en dichas descargas eléctricas.Se propone un modelo teórico, microfísico, que incorpore la contribución de los aerosoles en la variación de la intensidad del campo eléctrico terrestre al interior de las celdas nubosas. Para lograr esto modelaremos las nubes convectivas por medio de celdas unitarias (sección 2), siguiendo las aproximaciones de la Física de Nubes [6]. Luego estimaremos la contribución de los dipolos de agua al vector de desplazamiento eléctrico de las nubes (sección 3) y de los cristales piroeléctricos, por ser estos materiales los que presentan autoinducción eléctrica aun en ausencia de campos externos.El metano (CH4) es el sexto componente atmosférico, equivalente al 2 10-6 de la fracción total de la atmósfera [7] y se ha vinculado su piroelectricidad como agente cocausal del más conspicuo de los electrometéoros en Venezuela, el Relámpago sobre el Rió Catatumbo [5] [8] y sus derivados acuosos, los hidruros de Metano parecen jugar un papel importante en la climatología oceánica [9]. Finalmente una breve discusión de los resultados y las conclusiones se muestra en la ultima sección.2. CARACTERÍSTICAS DE LA TROPOSFERA BAJA2.1 Temperatura y presión2.2 Campo y potencial eléctricoFigura 2: Características de la Troposfera BajaFigura 3: Potencial atmosférico de la Troposfera BajaAdviértase que la celda se descargará cuando la diferencia de potencial sea del orden del potencial de ruptura dieléctrica del aire: 1000 KV para el aire húmedo y 3000 KV para el aire seco a nivel de la superficie [12], en ausencia de vapor de condensación y de aerosoles, la celda no alcanza el potencial de ruptura dieléctrica del aire; como cabe esperar de acuerdo a la fenomenologia observada en los electrometeoros.3. DESPLAZAMIENTO ELÉCTRICO Y DIPOLOS EN AEROSOLESA los fines de estudiar el comportamiento eléctrico de la nube, se considera cada celda como una colección de dipolos de agua en equilibrio hidrostático a la temperatura T=T(z), en presencia de un campo eléctrico E.3.1 Dipolos de agua en una celda nubosaFigura 4: Geometría de la molécula de agua. Adviértase que el momento dipolar, en general, esta inclinado a grados respecto al campo eléctrico atmosférico (dirección z).Figura 5. Variación altitudinal de parámetros físicos de la celda acuosa. Adviértase que en una celda nubosa de agua-hielo el potencial no alcanza el potencial de ruptura dieléctrica del orden de 103 KV/Km [14].Figura 6. Variación altitudinal de parámetros físicos de la celda acuosa. Adviértase que en una celda nubosa de agua-hielo el potencial no alcanza el potencial de ruptura dieléctrica del orden de 106 V/m [14].3.2 Contribución de aerosoles: celda de metanoFigura 7. Simetría de la molécula de metano. El momento dipolar en general, se orienta a grados respecto al campo eléctrico atmosférico.Donde la configuración tetraédrica multiplica el momento bipolar en un factor 4 respecto al agua. De ello se infiere que el campo microscópico inducido en las celdas de metano incrementa el campo local respecto al campo microscópico inducido en una celda acuosa. Debe considerarse la configuración cristalina del metano pertenece al grupo de simetrías C4. Estas moléculas y sus microcristales son piroelectricos.Nótese que aún en ausencia de un campo eléctrico exterior E; existirá un vector de desplazamiento eléctrico no nulo que favorecería la separación de cargas en las nubes; e incluso pudiera originar la avalancha requerida en los modelos de generación de rayos [16].A los fines de estimar el vector de desplazamiento eléctrico intrínseco  D0 en la celda nubosa de metano, supondremos una celda nubosa de gas diluido (ideal), modelada en una aproximación macroscópica por un circuito equivalente simple de un capacitor de placas plano-paralelas, en ausencia de campos externos.donde s e la densidad de carga superficial de la celda nubosa.donde e representa la carga del electrón.Obsérvese que aun para una celda nubosa cuya composición de metano sea mil veces menor que la composición atmosférica promedio (del orden de 2 10-6), se tendrá un campo piroeléctrico en el orden de 1.5 megavoltios por kilómetro, superior a la rigidez dieléctrica del aire seco y equivalente a una diferencia de potencial del orden de 10 megavoltios entre la base y la cima de la celda.3.3 Desplazamiento eléctrico en nubesdonde se asume que la constante dieléctrica del metano como 1.67 [13] aproximación valida en el rango de temperatura y presión de la troposfera baja (inferior a 15 Km de altitud).Figura 8. Comparación de las contribuciones del agua y del metano en el desplazamiento eléctrico de la celda nubosa a diferentes altitudes.4. CONCLUSIONESLa actividad eléctrica atmosférica, posee una dependencia térmica, dada por el gradiente de temperatura existente, ya que las propiedades físicas y químicas de las moléculas existentes en la atmósfera local, se ven afectadas por este cambio de temperatura.Utilizando el modelo de un capacitor de placas plano paralelas (Capacitor telúrico) [10], que concuerda con la geometría de las nubes de tormentas, el factor dieléctrico aumenta con la altura debido a la disminución monótona de la temperatura. Este factor propio de las moléculas de agua, es proporcional a la capacitancia, indicando con ello que la celda nubosa se carga a medida que aumenta la altura durante el proceso natural del ciclo del agua.De acuerdo a los modelos numéricos, el potencial de ruptura de una celda nubosa, netamente de agua, no es suficiente para una descarga [16]. A través del estudio de aerosoles presentes en la atmósfera, se puede identificar los elementos que contribuyen a aumentar los valores del vector de desplazamiento eléctricos de una celda nubosa.El metano debido a su configuración de simetría cristalina tetraédrica, posee propiedades piroeléctricas, el cual se auto polariza incluso sin la presencia de un campo eléctrico externo. Al aumentar la concentración relativa de metano o quizás de otros aerosoles piroeléctricos en la celda nubosa de ocurrencia, la actividad eléctrica se ve incrementada debido a estas propiedades eléctricas intrínsecas, como en el caso hipotético de una celda nubosa de agua y de metano (o incluso de hidruros de metano).La fenomenología de los electrometeoros y en particular de las descargas eléctricas nube-nube y nube-tierra muestran que estas manifestaciones son conspicuas en latitudes bajas (inferiores a 60° de latitud), son mas frecuentes en horas nocturnas y en nubes tipo cumulonimbus, siendo casi inexistentes en nubes cúmulos, cirrus y estratos [16]. La explicación usual de esta fenomenologia suele atribuirse a la presencia de corrientes convectivas, típicas de las regiones intertropicales, favorecidas por el calentamiento diurno y por los gradientes térmicos entre nube y tierra en las zonas tormentosas con abundante movimientos convectivos. Debe notarse que el modelo convectivo no explica por sí solo la actividad eléctrica sino mas bien la pluviosidad. Para explicar los electrometeoros se requiere adicionar una serie de modelos muy discutibles que pudieran causar la separación de cargas en nubes de tormentas.Adviértase también que la acumulación metano es mayor en latitudes bajas, sigue siendo mayor en horas nocturnas cuando el metano no es fotodisociado y es mayor en las nubes cumulonimbus donde la opacidad filtra la radiación solar que evita su fotodisociación y permite su acumulación relativa al interior de las mismas. Nótese que no requiere de grandes concentraciones relativas al interior de las celdas nubosas, basta con apenas una concentración relativa mil veces menor a la del aire, sin fotodisociación, para generar los electrometeorosLa fenomenología observada parece estar de acuerdo con el modelo, existiendo además evidencia extraterrestre, en la atmósfera del satélite de Saturno: Titán, donde la concentración de metano es muy superior a la de la Tierra [17], y la actividad eléctrica en dicho cuerpo celeste es superior a la nuestro planeta [18].Además la presencia de aerosoles y/o partículas piroeléctricas son coadyudantes para la actividad eléctrica como se observan en las erupciones volcánicas y las tormentas de arena, en donde los electrometeoros se manifiestan sin la presencia de pluviosidad.5. REFERENCIAS[1] MacGorman D.R. and Rust W.D. (1998): “The Electrical Nature of Storms”. Oxford Univ. Press, N.Y.[2] Feymann R., Leighton R. and Sand M. (1972): “Lecturas de Física”. 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Esta entrada se publicó en Reportajes en 13 Jun 2006 por Francisco Martín León