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Los físicos resuelven un misterio de los rayos de 50 años

Las posibilidades de que te caiga un rayo son menos de una en un millón, pero esas probabilidades se redujeron considerablemente este mes cuando se registraron más de 4,2 millones de rayos en todos los estados y territorios de Australia durante el fin de semana del 12 al 13 de noviembre de 2022

¿Sabías que los rayos pueden caer en el mismo lugar varias veces? Por ejemplo, se informa que el Empire State Building es alcanzado por rayos aproximadamente 23 veces al año. Crédito: Pixabay/CC0 Dominio público


Si considera que cada rayo viaja a más de 320.000 kilómetros por hora, eso es una enorme cantidad de electricidad.

El misterio de los rayos

¿Alguna vez te has preguntado acerca de los rayos? Durante los últimos 50 años, los científicos de todo el mundo han debatido por qué los relámpagos zigzaguean y cómo se conectan con la nube de truenos de arriba.

No ha habido una explicación definitiva hasta ahora, con un físico de plasma de la Universidad del Sur de Australia publicando un artículo histórico que resuelve ambos misterios.

El Dr. John Lowke, ex científico de CSIRO y ahora profesor adjunto de investigación de UniSA, dice que la física de los rayos ha dejado perplejas a las mejores mentes científicas durante décadas.

Proceso de generación de una descarga nube-tierra con la guía escalonada en animación lenta. NOAA

"Hay algunos libros de texto sobre rayos, pero ninguno ha explicado cómo se forman los zig-zags (llamadas guías escalonadas), por qué la columna conductora de electricidad que conecta los escalones con la nube permanece oscura y cómo los rayos pueden viajar kilómetros", dijo el Dr. Lowke. dice.

¿La respuesta? Moléculas de oxígeno metaestable singlete-delta.

Básicamente, los rayos ocurren cuando los electrones golpean las moléculas de oxígeno con suficiente energía para crear moléculas de oxígeno singlete delta de alta energía. Después de chocar con las moléculas, los electrones "desprendidos" forman un paso altamente conductor, inicialmente luminoso, que redistribuye el campo eléctrico , provocando pasos sucesivos.

La columna conductora que conecta el escalón con la nube permanece oscura cuando los electrones se unen a las moléculas neutras de oxígeno , seguido por el desprendimiento inmediato de los electrones por las moléculas singlete delta.

¿Por qué es esto importante?

"Necesitamos comprender cómo se inician los rayos para poder determinar cómo proteger mejor los edificios, los aviones, los rascacielos, las iglesias valiosas y las personas", dice el Dr. Lowke.

Si bien es raro que los humanos sean alcanzados por un rayo, los edificios son alcanzados muchas veces, especialmente los altos y aislados (el Empire State Building es alcanzado unas 25 veces al año).

La solución para proteger las estructuras de la caída de rayos ha sido la misma durante cientos de años.

Un pararrayos inventado por Benjamin Franklin en 1752 es básicamente un alambre grueso para cercas que se sujeta a la parte superior de un edificio y se conecta al suelo. Está diseñado para atraer rayos y poner a tierra la carga eléctrica , evitando que el edificio sufra daños.

"Estas varillas Franklin se requieren para todos los edificios e iglesias hoy en día, pero el factor incierto es cuántas se necesitan en cada estructura", dice el Dr. Lowke.

También hay cientos de estructuras que actualmente no están protegidas, incluidos cobertizos de refugio en parques, a menudo hechos de hierro galvanizado y sostenidos por postes de madera.

Esto podría cambiar con los nuevos estándares australianos de protección contra rayos que recomiendan que estos techos estén conectados a tierra. El Dr. Lowke fue miembro del comité de Standards Australia y recomendó este cambio.

"Mejorar la protección contra rayos es muy importante ahora debido a los fenómenos meteorológicos más extremos del cambio climático. Además, si bien el desarrollo de materiales compuestos ecológicos en las aeronaves está mejorando la eficiencia del combustible , estos materiales aumentan significativamente el riesgo de daños por rayos, por lo que necesitamos para buscar medidas de protección adicionales.

"Cuanto más sepamos sobre cómo se producen los rayos, mejor informados estaremos al diseñar nuestro entorno construido", dice el Dr. Lowke.

El artículo, "Hacia una teoría de las guías escalonadas en los rayos " se publica en el Journal of Physics D: Applied Physics . Está escrito por el Dr. John Lowke y el Dr. Endre Szili del Future Industries Institute de la Universidad de Australia Meridional.

Referencia
John J Lowke et al. Toward a theory of "stepped-leaders" of lightning, Journal of Physics D: Applied Physics (2022). DOI: 10.1088/1361-6463/aca103

Información de la revista: Journal of Physics

Esta entrada se publicó en Noticias en 28 Nov 2022 por Francisco Martín León