Videos comentados de descargas nube-tierra: los principios básicos de los rayos en acción

RAM
Palabras clave: descarga eléctrica, rayo, guía ascendente, guía descendente, subdescarga de retorno.
Observa primero el vídeo mostrado y después repasa un poco de teoría.
Síguenos en Twitter: @RAM_meteo
Y en Facebook: RAMmeteorologia

La tecnología puntera  para analizar  y visualizar procesos tan complejos como las descargas nube-tierra está ya en manos de público en general saliendo del ámbito investigador. Ciertas cámaras comerciales permiten descubrir algunas de las interioridades de los rayos de nube a tierra. Presentamos dos ejemplos brevemente comentados pero muy ilustrativos desde el punto de vista didáctico.

Recuperado el reportaje a fecha de  julio de 2012.

INTRODUCCIÓN

Cuando observamos una de las maravillas de la Naturaleza, el rayo, vemos que todo ocurre instantáneamente, en un abrir y cerrar de ojos: un fogonazo de luz que se concentra en un hilo retorcido y que une una nube tormentosa con el suelo de forma desesperada y ruidosa. Si para el ojo humano todo ocurre en un instante, las cámaras de alta velocidad, capaces de hacer sus fotogramas en milésimas de segundo, ponen de manifiesto los secretos de los rayos, sus distintas fases y elementos que lo componen.

Estos artilugios electrónicos ya están al alcance de cualquiera, de forma comercial y no hay que ir a ver secuencias tomadas por sesudas máquinas de investigación para descubrir las interioridades de las descargas atmosféricas.

En este artículo se presentan dos ejemplos de videos de rayos disponibles en Internet de autor casi anónimo, al que agradecemos “colgar” dichos videos. Por su interés visual y pedagógico los mostramos aquí. Se complementa el reportaje con una breve inmersión en la teoría básica del rayo. El fondo oscuro, la pericia del autor y la técnica empleada hacen de estos videos dos buenos ejemplos de la información disponible en la red de redes.

Se recomienda al lector que utilice los botones de “pausa” y “play” del sistema de visualización, tantas veces como sea necesario para poner de manifiesto lo comentado en el texto.

UN POCO DE TEORÍA DEL RAYO

Se presenta la teoría básica de las descargas nube-tierra, o simplemente rayo, tomada de los módulos TEMPOweb de AEMET: Modelos de tormentas. Modelos conceptuales: RAYOS. El lector familiarizado con dicha teoría puede saltar al siguiente apartado donde se comentan los videos de los rayos presentados.

MODULOS TEMPOweb: MODELOS CONCEPTUALES DE TORMENTAS

Descargas eléctricas: Rayos

En una nube convectiva los mecanismos de generación y separación de cargas tienden a aumentar la energía eléctrica del sistema. Cuando el campo eléctrico o el potencial superan un valor crítico, se produce el rayo o descarga eléctrica que tiende a reducir tal energía, con una nueva redistribución de las cargas eléctricas: en la nube, en el suelo y en la atmósfera. Durante un corto período de tiempo la energía electrostática acumulada es liberada en forma de energía electromagnética (relámpago visible más ondas de radio), energía acústica (trueno) y energía calorífica. El efecto global de las corrientes puestas en juego es el del transporte de cargas negativas hacia el suelo y positiva a niveles altos de la atmósfera.

La acumulación local de cargas produce dos tipos de descargas: las NN (dentro de la nube o entre Nube y Nube) y las NT (entre la Nube y Tierra). Normalmente existe una proporción de 5 (o más) a 1 a favor de las NN frente a las  NT, ya que los procesos de carga son producidos dentro de la nube y la disminución de la presión con la altura favorece la  aparición de los NN. Podemos subdividir los del tipo NT en positivos (descargas NT(+)) o negativos (descargas NT(-)), según sea el origen de la descarga y los centros que lo generen. Lo que sí podemos afirmar es que la mayoría se suelen generar en la región principal de cargas negativas y son del tipo NT(-).

En general llamaremos RAYO a las descargas eléctricas que se producen en la atmósfera de tipo NN o NT, aunque es más común al concepto de NT.

Procesos: Rayo negativo Nube-Tierra

Particularizando a los rayos que se generan desde la nube a tierra, tipo NT, la generación de la descarga comienza en la gran mayoría de los casos, entre la región principal de carga negativa y la superficie terrestre (cargada positivamente por inducción). La chispa tiende a seguir un camino, que se va creando por sucesivos impulsos, desde la nube a tierra. Es la llamada GUÍA ESCALONADA (Step Leader) que con arranques y paradas sucesivas va acercándose a tierra. El proceso es invisible a nuestros ojos (no transporta gran cantidad de carga y no es brillante). Suele ramificarse mucho, pero la mayoría de ellas no llegan al suelo.  El resultado final es la existencia de un CAMINO IONIZADO DE MÍNIMA RESISTENCIA. 

Cerca de la superficie terrestre se va generando, poco a poco y sobre ciertos puntos llamados de descarga, una acumulación de cargas positivas (DESCARGA DE CONEXIÓN) que son las primeras en conectar con la guía escalonada descendente, llegando a cerrar el circuito nube-tierra.

Se produce en este momento la primera DESCARGA DE RETORNO (Return Stroke) que se desplaza desde la tierra a la nube transportando gran cantidad de carga en el canal y en un tiempo muy pequeño, aumentando enormemente la temperatura, liberando gran cantidad de energía calorífica y electromagnética, con los efectos luminosos y sonoros por todos conocidos. 

Figura 1. Modelo conceptual de descarga nube-tierra en una nube convectiva. Ver texto para más detalles. Fuente: Módulos TEMPOweb de AEMET.

En la mayoría de los casos, cuando la primera descarga de retorno ha desaparecido, baja otra guía, pero esta vez sin pausa. Es la llamada GUÍA RÁPIDA (Dart Leader) que baja de una sola vez de forma no pulsante. Posteriormente a su llegada al suelo aparece una segunda descarga de retorno (menos energética que la primera) y así sucesivamente hasta unas 5 ó 10 veces por término medio (se han llegado a detectar hasta 42 descargas de retorno por un mismo camino). Para el ojo humano todo sucede tan rápido que lo que se observa es un solo destello. 

Aunque las tormentas son altamente variables en su intensidad, dimensiones, composición y estructura eléctrica se pueden hacer algunas generalizaciones a cerca de ellas:

• La actividad eléctrica suele venir asociada con fuertes corrientes ascendentes y precipitación, por la que se asocian a nubosidad de tipo cumuliforme. No suelen estar asociadas con nubosidad de tipo estratiforme y nunca con cirros aislados.
• Las observaciones disponibles revelan actividad eléctrica entre 60º N y 60º S, más frecuentemente en bajas latitudes y en tierra. 
• En las latitudes más altas la frecuencia de los rayos decrece debido a la disminución en la convección y a la ausencia de humedad.
• La mayoría de los rayos se observan en nubes con contenido de gotas de agua y de hielo, aunque ha habido algunas observaciones en nubes de agua solamente.  Se han observado también rayos en nubes que están completamente por debajo de temperaturas de 0ºC, sin embargo se ha observado que poseen agua sobreenfriada y partículas de hielo.

Después de repasar brevemente los conceptos básicos del rayo, pasemos a describir los dos videos.

VIDEO 1. RAYO RAMIFICADO A TIERRA Y PUNTO DE CONTACTO. Autor: Tom A. Warner.

http://es.youtube.com/watch?v=2XwFF5idD_0&feature=related

En este primer video se muestra perfectamente las diferentes fases del rayo y los componentes principales.

Las  fases de la descarga

I.- La guía escalonada descendente: ramificación y caminos de ionización del aire

Los primeros destellas de una descarga nube-tierra aparecen con la guía escalonada descendente, poco brillante y relativamente ramificada, dependiendo de cada rayo.

Mediante impulsos repetitivos las distintas ramificaciones se hacen evidentes las formas de contactar con un punto en tierra. La luminosidad de esta guía no es muy elevada.

En los extremos de estas ramificaciones aparecen unos puntos o zonas más iluminadas que el resto del canal y que brilla sobre el fondo más oscuro en estas imágenes del Video 1. Como una daga afilada,  las distintas guías van cortando el aire e ionizándolo de forma oportuna y generando un camino de baja resistencia eléctrica debido a la ionización del canal o canales de las distintas ramificaciones, ver figura 2.

Figua 2. Guía descendente escalonada y sus distintas fases: a) ramificaciones iniciales y b) ramificaciones próximas a tierra. Nótese la relativa y escasa luminosisdad de la guía y de sus elementos, salvo algunas zonas o puntos brillantes.

De todas las ramificaciones sólo una, en general, contactará con tierra. Antes de haber bajado y de  acercarse a  tierra, se ha generado en el suelo por inducción y simpatía  un área relativamente cargada con el signo opuesto al de la base de la nube.

En tierra, dicha carga y cuando “siente” la presencia de un ramal de la guía descendente. Entonces se desencadenan los acontecimientos venideros de forma súbita.

II.- Guía ascendente

Antes de que la guía descendente escalonada toque tierra, se genera desde el suelo o un objeto elevado la llamada guía ascendente, que trata de contactar con alguna de las ramificaciones o caminos descendentes. En el momento del contacto se ha desarrollado y cerrado un canal ionizado y conductor por el cual van a circular las cargas de diferente signo que exiten entre la nube y el suelo. La diferencia de potencial entre ambos marcará la intensidad del rayo que libera de forma instantánea y súbita una primera remesa de energía en forma de calor, luz, sonido,etc. Ver figura 3.

Figura 3. Guía ascendente desde tierra que conecta con algun ramal descendente. Llama la atención la luminodidad inicial del sistema cuando el circuito tierra-nube se cierra.

Contacto: primer fogonazo luminoso intenso

La forma más llamativa de la liberación de energía al producirse el primer contacto entre la nube y la tierra es mediante un primer fogonazo luminoso que ilumina los canales ionizados, pero principalmente el que une la tierra y la base de la nube.

Figura 4. La primera descarga de retorno supone el inicio desencadenante de la liberación de energía que se pone de manifiesto de muchas formas, como por ejemplo, el aumento de la luminosidad del canal ionizado principal y de otras ramificaciones.

Se ha producido la primera descarga de retorno nube-tierra, la más energética y, a veces la única. La transferencia de cargas por dicho canal disminuye la diferencia de potencial entre la base de la nube y la tierra, de forma que se anulan el exceso de carga concentrado en algunas partes de la base de la nube y tierra. Si la diferencia de potencial es muy significativa después de la primera descarga de retorno, entonces se producirán otras tantas hasta que dicha diferencia se reduzca considerablemente.

III.- Subdescargas de retorno

Figura 5.  Subdescarga de retorno.  El proceso de anulación y redistribución de cargas puede continuar mediante sucesivas subdescargas de retorno, menos luminosas que la primera: a) fase luminosa de una subdescarga de retorno y b) canal ionizado resultante de las sucesivas subdescargas de retorno.

El número de subdescargas de retorno puede variar de unos rayos a otros. Algunos rayos sólo poseen una descarga de retorno, que suele ser muy intensa.

El proceso continúa hasta que la diferencia de potencia nube-tierra se ve neutralizado por el rayo y no es lo suficientemente intenso como para mantenerlo o generar otro diferente.

En la secuencia completa de este video se puede observar cómo está constituido un rayo.

Aquí podrás ver otra secuencia más compleja:

http://es.youtube.com/watch?v=A0XkNfTyR9A&feature=related

VIDEO 2. RAYO ATRAÍDO POR UN OBJETO PUNTIAGUDO Y ELEVADO

http://es.youtube.com/watch?v=8YM-C15bifU (el usuario retiró el video)

A fecha de 20 de septiembre, Pedro Serrano nos envía el link donde sí se puede ver:

http://es.youtube.com/watch?v=Ue_LxqRDUno&feature=related

Gracias Pedro.

Puedes ver éste otro, que es equivalente:

http://es.youtube.com/watch?v=nCm2UCj6eDU

Si en el anterior video pudimos observar las distintas fases de un rayo nube-tierra, en el siguiente podremos analizar la afinidad que tienen los rayos de contactar con objetos puntiagudos, elevados y, especialmente, metálicos donde se pueden acumular cargas de tierra por inducción con mayor facilidad. En el video mostrado se adivina un objeto alargado, relativamente fino y, posiblemente, metálico.

Figura 6. Distintas fases de un rayo nube-tierra: a, b, c y d. Nótese la afinidad que tiene el rayo por el objeto elevado y presumiblemente metálico. Autor desconocido.

El resultado de todo ellos es que las cargas en tierra se acumulan preferentemente en dicho objeto, ofreciendo la posibilidad de que el punto de contacto de la guía ascendente se concentre y salga de dichas zonas. La descarga se produce entre una de las ramas descendentes y dicho punto de contacto.

CONCLUSIONES

La tecnología fotográfica, Internet y otras herramientas, que hace poco tiempo estaban ubicadas en centros de investigación, han evolucionado de tal manera que hoy en día es posible descargarse de la red y visualizar  acontecimientos súbitos vedados para los ojos del ser humano.

En estos dos videos se han mostrado los principios físicos visuales y básicos de los rayos nube-tierra y la afinidad de los rayos por puntos elevados y puntiagudos, respectivamente.

¿Qué otra sorpresas nos deparará esta tecnología globalizada y compartida gracias a los avances continuados del saber humano? Muchos, que aún están por llegar. 

REFERENCIAS Y FUENTE DE LA INFORMACIÓN

Videos en Youtube.com de Tom A. Warner

http://es.youtube.com/watch?v=2XwFF5idD_0&feature=related

Módulos TEMPOweb. Antiguamente disponibles en el port al del INM, hoy AEMET: http://www.aemet.es (no disponibles a fecha del 21 de agosto de 2008).