MICROFÍSICA DEL RELAMPAGO DEL CATATUMBO

 Falcón, Nelson.(1); Peter, Williams.(2); Muñoz, Angel.(2); Nader, Dia. (3).1 Universidad de Carabobo. FACYT. Dpto. Física. Apdo. Postal 129 Valencia 2001.2 La Universidad del Zulia. Facultad de Cienc...

Colaboraciones de la RAM Colaboraciones de la RAM 10 May 2003 - 09:41 UTC
 

Falcón, Nelson.(1); Peter, Williams.(2); Muñoz, Angel.(2); Nader, Dia. (3).

1 Universidad de Carabobo. FACYT. Dpto. Física. Apdo. Postal 129 Valencia 2001.2 La Universidad del Zulia. Facultad de Ciencias. Dpto. de Física.3 La Universidad del Zulia, Facultad de Ingeniería. Dpto. de Física.Resumen.El “Relámpago del Catatumbo” observado al sur del lago de Maracaibo (Venezuela) tiene características únicas en el mundo. Se discute su fenomenología a través del resultado de las expediciones realizadas en el Parque Nacional Ciénagas de “Juan Manuel”. Adicionalmente se estiman magnitudes microfísicas que permiten modelar el fenómeno y se discute la importancia de los pantanos como agente causal de la actividad eléctrica atmósferica observada en la región.Palabras Claves: Relámpago del Catatumbo, electricidad atmosférica.Abstract.The Catatumbo Lightning observed to the south of the Maracaibo lake (Venezuela) has characteristic only in the world. You discusses their fenomenología through the result of the expeditions carried out in “Juan Manuel's Park National Marshes". Additionally they are considered magnitudes microfísicas that allow to model the phenomenon and you discusses the importance of the swamps like causal agent of the activity electric atmósferica observed in the region.Key words: Lightning of the Catatumbo, atmospheric electricity.1 .Introducción.Los relámpagos y los rayos son las manifestaciones más conspicuas de la actividad eléctrica atmosférica y ocurren muy frecuentemente en la región de los deltas de los ríos Catatumbo, Zulia y Bravo, al sur del lago de Maracaibo. Entre tales fenómenos destaca un relámpago inaudible conocido como el “Relámpago del Catatumbo” o “Faro de Maracaibo” por su ocurrencia persistente, su fulgor y luminosidad. Este fenómeno puede ser apreciado a centenares de kilómetros de distancia, en los Andes, en la Ciudad de Maracaibo y desde el Mar Caribe, durante casi todo el año (Centeno, 1968).La ocurrencia del “Relámpago del Catatumbo” es muy antigua, la primera mención escrita data de 1597, cuando Lope de Vega le menciona en el poema épico “La Drangontea”. El naturalista Alexander von Humboldt describe el fenómeno como “explosiones eléctricas que son como fulgores fosforescentes...” (Alvarado, 1956) y el geógrafo Agustin Codazzi (Codazzi, 1960)lo reseña “como un relámpago continuado que parece surgir en la región pantanosa del río Zulia y sus alrededores”, al sur del Lago de Maracaibo. Destacándose por su persistencia continua en posición y tiempo, incluso en el período de sequía, derivando de allí el nombre de “Faro de Maracaibo”.Diversos autores han reportado la ocurrencia del “Relámpago del Catatumbo” desde el siglo pasado hasta ahora (véase Zavrotsky 1975 y referencias en él); sin alcanzar un modelo físico que explique la naturaleza de la actividad eléctrica permanente y localizada que constituye la esencia del fenómeno atmosférico considerado.No existe consenso en torno al mecanismo causal ni sobre la ubicación del o de los epicentros, sobre todo porque la región de ocurrencia es una zona inhóspita de 226.000 hectáreas de pantanos, casi permanentemente inundados con abundante nubosidad y pluviosidad durante todo el año, que conforman el “Parque Nacional Ciénagas de Juan Manuel”.El primer intento moderno de caracterizar la fenomenología del “Relámpago del Catatumbo” lo realizó Melchor Centeno a través de un enfoque geográfico y climático, atribuye así el origen a las tormentas eléctricas permanentes ocasionadas por la circulación cerrada de vientos en la región, sin descartar la posibilidad de la existencia de algún agente causal en el subsuelo, tales como fuentes geotermales, geomagnéticas o radiactivas (Centeno, 1968).Por su parte Andrés Zavrostky y colaboradores de la Universidad de Los Andes (Zavrotsky, 1991) concluye que la causa presumiblemente “sea una especie de tormenta permanente en cierta región de Venezuela de índole esencialmente eléctrica entre las nubes cargadas de electricidad y cierta carga permanente en el suelo...en la Gran Ciénaga al oeste del Lago de Maracaibo”.La actividad tormentosa y la presunta existencia de cierta carga eléctrica superficial no explican el mecanismo físico responsable de la fosforescencia (relámpago) que acompaña la ocurrencia de los rayos, como tampoco da cuenta de la intermitencia permanente que le caracteriza incluso en épocas de sequía.Por otro lado, postular la existencia de tormentas eléctricas permanentes como causa del fenómeno requiere de un estudio microfísico de los procesos atmosféricos que den cuenta de los mecanismos de separación de cargas en nubes de tormentas, y además, la subsecuente descarga de rayos supone especificar las condiciones para la existencia de un intenso campo eléctrico superficial y local como agente causal de las descargas nube-tierra durante las tormentas eléctricas.El estudio del “Relámpago del Catatumbo” podría contribuir a la comprensión del microclima en la región y tener además, aplicaciones prácticas para la agroindustria. El propósito de este trabajo es anticipar un posible mecanismo que explique las características del “Relámpago del Catatumbo”, así como la identificación de los agentes causales y cocausales del fenómeno. Se destacan las condiciones de su ocurrencia y la fenomenología observada durante las expediciones llevadas a cabo al interior de las ciénagas por los autores durante el bienio 1998-1999 (sección 2), luego se postula un modelo microfísico (sección 3) y, finalmente, se discuten sus consecuencias explicativas (sección 4).2. Observaciones y Fenomenología.La ocurrencia del fenómeno abarca una extensa región de cerca de 300.000 hectáreas al sur-oeste del lago de Maracaibo, comprendiendo en su interior al río Bravo, desde su nacimiento hasta su desembocadura, el río la Concepción, parte del río Catatumbo, las Ciénagas de Juan Manuel de Aguas Claras y Juan Manuel de Aguas Negras, las lagunas La Belleza, la Negra, La Estrella y otras menores. Substancialmente corresponde a una ecosistema cenagoso, de bosques de pantano y manglares además de un sistema delta lacustrino estuario en la zona de la desembocadura de los ríos en el Lago de Maracaibo. Esta gran explanada comparte la misma historia geológica que caracteriza al sur del Lago de Maracaibo, formando una depresión entre las cordilleras del Perijá y Los Andes venezolanos. Las lagunas y pantanos inundados exhalan continuamente metano por descomposición de los detritus y humus, siendo la profundidad de las aguas variable entre los 2 y 9 metros.La temperatura media anual es de 28º C , siendo la máxima de 30º -36º C en la población de Los Encontrados a las 15 HLV, y la mínima entre los 23º y 25 ºC en el mismo lugar hacía las 5 HLV. Los vientos de la Región presentan dos circulaciones cualitativamente diferentes. Por debajo de la cota de 1500 m s.n.m. presenta un proceso de deslizamiento forzoso debido a las montañas de las cordilleras del Perijá y de Los Andes. A mayor altura, sobre los 3000 m s.n.m. la dirección de los vientos y su velocidad media es la característica para el resto de Venezuela (Gol, 1963).Fotografías #1 Río CatatumboFotografía#2 El relámpago luego del Ocaso

Desde los puntos de observación se visualizó el “Relámpago del Catatumbo” como destellos nube-nube y el resplandor fosforescente (relámpago) en regiones del cielo bien localizadas y persistentemente durante toda la noche (Fotografía #2).

La segunda y tercera expedición realizadas en Julio y Diciembre de 1999 permitió ubicar la región de ocurrencia del fenómeno. Se instalaron sitios de observación en: la localidad de “Los Encontrados” (09 3’ 51” N 72º 14’ 09” W 14 m snm), la laguna La Negra (09º 14’ 13” N 72º 06’ 33 W 36 m snm) y las orillas del río Bravo (09º 14’ 15” N 72º 06’ 31” W 41 m snm) así como la exploración de los recorridos ribereños y lacustres intermedios.

Los resultados corroboraron la existencia de zonas de epicentros en las cercanías de las lagunas, al interior de las ciénagas colindantes con el río Bravo, en lugar de puntos localizados de ocurrencia del fenómeno. Destacándose la persistencia de al menos dos regiones del cielo, bien diferenciadas por su separación angular de hasta 66º de azimut, donde se producen las descargas. El mapa de la figura # 1 muestra los posibles epicentros y su extensión.

Características de las descargas eléctricas.

Las imágenes fotográficas (véase) evidencian la característica descarga nube-nube del fenómeno, y su relativo confinamiento en una cierta región del cielo. Particularmente sin la presencia de extensas formaciones nubosas para la totalidad del horizonte visible, como cabría de esperar en una típica tormenta.

Fotografía #3 Descargas nube-nubeFotografía #4 Detalle de los Rayos
Fig. #1 Ubicación de los Epicentros

Nótese que los rayos del fenómeno atmosférico no son nube-tierra ni tierra-nube, evidencia que parece descartar la presencia de fuentes geotermales, geomagnéticas o radiactivas en el substrato superficial de la región. Las descargas eléctricas de la formación nubosa parecen provenir solamente del interior profundo de la nube y no sobre su periferia o zonas límite de la nube. La fotografía #3 muestra los rayos descendentes entre las dos capas nubosas. Durante las dos últimas expediciones al interior de la ciénaga se pudo constatar la ausencia de anomalías en los valores del campo magnético terrestre de la zona de estudio, tampoco se observaron evidencias de fuentes geotermales tales como fumarolas, géiser o temperaturas anormalmente altas en las aguas de las lagunas.

Medidas con el electrómetro, a nivel superficial en el punto de observación, a las orillas del río Bravo, dan cuenta de la existencia de cargas eléctricas atmosféricas, depositando sobre el electrómetro 0,015 microcoulombios en el lapso de 15 minutos, que equivale al incremento de la diferencia de potencial eléctrico en el electrómetro a razón de 0,33 voltios por segundo.

No se encontró una moda o frecuencia característica en la frecuencia de los destellos (rayos y relámpagos). Se evidencia que las descargas ocurren entre 16 y 40 por minuto, y luego de la observación de los rayos al interior de las nubes, se genera un resplandor (relámpago) fosforescente en el entorno, incrementado en magnitud por el reflejo sobre los espejos lacustres. Todos las descargas son sordas, y son mas frecuentes entre la zona interna superior y la zona interna inferior de la propia nube.

Visibilidad del fenómeno.

Las horas de visibilidad del fenómeno son variables, entre las 19 y las 04 HLV, y parecen depender del punto de observación. A distancias relativamente cercana a los epicentros, en el interior de las ciénagas, el fenómeno comienza a observarse con la desaparición de la luz zodiacal, poco después del ocaso. A medida que el observador se aleja de los epicentros, la altura relativa del “Relámpago del Catatumbo” respecto al horizonte disminuye, dificultando su observación. Análogamente, desde regiones de observación altas y distantes, la visibilidad se incrementa. Por ser descargas a lo interno de nubes cumuloninbus y estratocúmulos, un observador colocado justo en los epicentros, debajo de las capas de nubes donde tienen lugar las descargas, no aprecia el fenómeno.

Fotografía #5 Aspecto General del relámpagoFotografía #6 Detalle de la Fluorescencia

3. Modelo Microfísico.

La extensión de los pantanos, permanentemente inundados, hacen pensar que el gas metano debe jugar un rol importante en los procesos microfísicos que tienen lugar en las nubes de la región. Estudios recientes han señalado el rol de está molécula en ciertos procesos climatológicos y oceanográficos (Suess et al, 1999).

Generalidades.

Como la molécula de metano (CH4)  es indisoluble en agua, al generarse en las ciénagas y lagunas se eleva rápidamente por ser  más liviana que el aire, incluso por encima de las nubes de vapor de agua.  Este fenómeno se incrementa en horas siguientes al ocaso, cuando la ausencia de irradiancia solar evita su fotodisociación; lo que podría explicar por que el relámpago solo es visible en forma nocturna y nunca en horas diurnas.

La generación de Metano por descomposición de detritus y humus de los pantanos se incrementa durante el verano porque las aguas son menos profundas y la temperatura media aumenta, facilitando la descomposición del material orgánico. Ello parece explicar porque el “relámpago del Catatumbo” es más visible en épocas de sequía que en invierno.

La elevada sección transversal  de absorción para el metano, en la línea  H Lyman a (121,57 nanómetros), permite suponer que los destellos (relámpagos) son  producidos por la presencia de este gas en la nubes altas de la atmósfera de la región. En efecto para el metano la sección transversal  de absorción (s) de la línea H Lyman a es 18 megabarns, mientras que para el vapor de agua  s =14 Mbn, para el nitrógeno gaseoso s = 6 10-5 Mbn  y para el oxigeno gaseoso s = 9 10-3  Mbn (Marr, 1967). El color de las descargas observadas en las fotografía y el análisis espectrocópico de ellas dan cuenta de la presencia de dicha  línea H Lyman a en la radiación electromagnética generada durante el fenómeno.

La fluorescencia observada como relámpago, luego de la generación de rayos a lo interno de las nubes altas, puede deberse a la existencia de estados metaestables de la molécula de metano y del radical metilo, cuyos enlaces s-p admiten este tipo de excitación. Un cálculo preciso de estos estados metaestables envuelve una gran complejidad y está fuera del alcance de este trabajo. Es importante señalar que la función propia de enlace del metano no ha sido calculada aún ni para la estructura resonante más simple (Levine, 1990). Debe notarse que los tiempos de vida de los estados metaestables son comparables a la duración de la descarga difusa (relámpago); en el rango de los nanosegundos a los milisegundos.

Por otro lado, el gradiente barotrópico atmosférico permite la condensación del metano en cristales con simetría tetraédrica, específicamente el grupo de simetrías Td  en notación de Schoenflie (Levine, 1990).  Los cristales con tal tipo de simetría son piroeléctricos, el vector de desplazamiento eléctrico adquiere valores no nulos aún en ausencia de campos eléctricos externos, por lo cual se polarizan espontáneamente (Landau et al 1981).

Al condensarse el metano se formarían cristales, que se polarizan espontáneamente debido a la simetría tetraédrica, ocasionando un gradiente de potencial eléctrico en las células de las capas altas de la nube. Cuando el potencial eléctrico de la célula de la nube supera el potencial de ruptura dieléctrica del aire, se genera la descarga, visible en forma de rayos a lo interno de la misma.

Así, la presencia de metano en las nubes bajas de la región, favorecida por la circulación cerrada de vientos y por enormes extensiones de pantanos (cerca de 300.000 hectáreas) permite explicar la microfísica de las descargas gaseosas (relámpago o fluorescencia y rayos o descargas de arco nube-nube) y el mecanismo de autopolarización eléctrica de la nube.

También de las consideraciones precedentes pueden derivarse algunas magnitudes físicas relevantes sobre la microfísica del  “Relámpago del Catatumbo”.

Estimaciones Cuantitativas.

(a) Ubicación del Epicentro y altura de las nubes.

La separación angular entre el centro de la zona de descarga (fotografía #1) y el horizonte permitieron estimar el ángulo de elevación en 6º ± 0,01º. Las medidas fueron efectuadas a las 20 horas y 31 minutos en fecha 1999-07-22, por medio de un telescopio Smith-Cassegrain de 4’ de diámetro con montura alta-acimutal, La distancia al epicentro, desde la nube Estratocúmulo  de altura h1=2,5 ± 0,1 km, se obtiene mediante la relación:

(1)

Como las descargas ocurren entre dos capas de nubes cuya separación angular es de 9º±0,01 entonces la distancia de separación entre ambas es:

(2)

(b) Presión y Temperatura atmosférica

Se puede estimar las condiciones de presión y temperatura a las alturas de las nubes calculadas previamente, suponiendo un modelo lineal ((Rogers, 1977), para el gradiente barotrópico atmosférico en el cual:

(3)

donde P0=101 kPa es la presión atmosférica medida in situ (41 m snm) y h es la altura de la nube en kilómetros. Empleando la ecuación (3) y los datos h1=2,5 km y h2=h1+Dh»6,3 km, se tiene:

(4)