El rayo... ¡fuerza asombrosa en el cielo!

CONSIDERE una de las manifestaciones más imponentes de fuerza irrefrenable del mundo... ¡el rayo! La mayoría de la gente, en una ocasión u otra, ha pasado por la experiencia de una tormenta eléctrica, con todos sus espantosos aspectos: torrentes de lluvia, cegadoras ráfagas de luz, el estrépito del trueno y esa ansiosa expectativa del próximo relámpago.

¿Le gustaría aprender más acerca de las causas de este misterioso fenómeno eléctrico en el cielo? ¿Qué sucede durante una tronada que genera fuerzas tan tremendas e imponentes? Puesto que el rayo es una manifestación eléctrica en la atmósfera, necesitamos saber algo acerca de las propiedades eléctricas del aire a fin de entender dónde se origina el rayo.

Una atmósfera eléctrica

Por lo general no estamos al tanto de ello, pero la atmósfera en que vivimos tiene una alta carga eléctrica. De hecho, el potencial eléctrico de la atmósfera es asombrosamente grande. En tiempo despejado, en la superficie del terreno el potencial sube, como promedio, unos 150 voltios por metro. El aire es positivo con respecto al terreno, y mientras mayor sea la altitud, mayor es el voltaje.

Esto significa que si usted está de pie al aire libre, lejos de los edificios y árboles, el voltaje del aire al nivel de su cabeza puede ser 250 voltios mayor que el voltaje al nivel del suelo. ¿Por qué, pues, no sentimos los efectos de este voltaje? Si hay suficiente corriente, un voltaje de esta magnitud pudiera electrocutarlo a uno, pero ni siquiera sentirnos una pequeña chispa eléctrica. Esto se debe a que el aire es un buen aislador. Nuestra piel es un conductor de electricidad relativamente bueno, y mantiene nuestro cuerpo a un potencial parejo. La única manera de medir el potencial atmosférico es por medio de instrumentos muy sensibles que hayan sido cuidadosamente aislados y protegidos de cualesquier otras cosas que pudieran tener una carga electrostática.

Si el potencial continúa aumentando a esta razón, a una altura de solo cien metros, sería de 15.000 voltios. Sin embargo, la circunstancia de que en grandes altitudes, más allá de la estratosfera, el aire se convierte en conductor le fija un límite al potencial. ¿Qué causa esta diferencia... que el mismo aire que es buen aislador en el terreno se convierta en buen conductor en lo alto del cielo? La respuesta está en el fenómeno de la ionización.

Por lo general, las moléculas de aire, sean de nitrógeno o de oxígeno, son neutrales. Esto significa que la carga positiva de cada núcleo atómico está exactamente equilibrada por las cargas negativas de los electrones que circundan el núcleo. Pero si se remueve un electrón de su órbita, la molécula queda con una carga positiva. Decimos entonces que la molécula está ionizada, o, que es un ion.

La acción de la ionización puede ser el resultado de varias causas, pero en la atmósfera despejada inferior la causa principal son los rayos cósmicos que nos bombardean desde el espacio sideral. Partículas de alta energía chocan contra las moléculas de aire con tal fuerza que liberan electrones y dejan iones positivos. Los electrones libres pueden adherirse a otras moléculas, y así forman iones negativos. En niveles tan bajos como de hasta 50 kilómetros de altitud, se producen suficientes iones para hacer del aire un buen conductor.

A esta capa de aire conductora la llamamos electrosfera. Esta a veces se incluye en la ionosfera, pero este último nombre se aplica apropiadamente a las capas más altas, superiores a 100 kilómetros de altura, las cuales reflejan las ondas de radio.

Ahora bien, el suelo también es un buen conductor. En este caso, la corriente es transportada por los iones en solución en el agua subterránea. Cualquier mineral disuelto en el agua está en la forma de iones. Así, la sal de mesa produce iones positivos de sodio e iones negativos de cloruro. El yeso forma iones de calcio y sulfato. Toda el agua subterránea contiene cierta cantidad de minerales disueltos, y hasta la tierra bastante seca contiene alguna humedad. Así es que, aunque un pequeño trozo de tierra quizás no transporte mucha corriente, la corteza de la Tierra es tan enorme que, en conjunto, es un excelente conductor.

Todas las partes de un buen conductor deben tener el mismo potencial electrostático. Si sucede algo que eleva el potencial en un punto, la corriente fluye de este punto a partes en las que el potencial sea menor hasta que éste se iguale. Esto es cierto de la Tierra. También es cierto de la electrosfera. Pero la atmósfera inferior es un aislador que separa a las dos. Esto hace posible mantener la gran diferencia de potencial entre éstas. De hecho, este sistema forma un gigantesco condensador eléctrico, en el cual la Tierra es negativa y la electrosfera positiva. El potencial a través de la atmósfera tiene como promedio unos 300.000 voltios. Varía considerablemente de esta cifra de hora en hora durante el día, y de mes en mes durante el año.

Ningún objeto es un aislador perfecto. Empleando instrumentos lo suficientemente sensibles se puede detectar una pequeña corriente aun en la atmósfera inferior. Esta es ligeramente conductora debido a los pocos rayos cósmicos que penetran hasta el suelo. La Tierra tiene un exceso de electrones, y éstos constantemente se escapan desde una multitud de puntos en la superficie. Estos puntos de descarga se encuentran en los extremos de las hojas de los árboles, en las puntas de las briznas de la hierba, y hasta las esquinas agudas de los granos de arena. Las estructuras hechas por el hombre, que sobresalen más en el aire, comprimen el campo eléctrico alrededor de sus picos y las esquinas de sus tejados, y la descarga de electrones se concentra en esos puntos. Por toda la Tierra, estas pequeñas descargas suman suficiente corriente como para descargar completamente la Tierra en la electrosfera en menos de una hora. Por tanto, debe haber algún mecanismo de carga que mantiene el exceso de electrones en la Tierra. Y es en este punto que entra el rayo.

La tronada como generador

Vemos muchos tipos de nubes en el cielo. La mayoría de ellas son más o menos chatas y horizontales. Pero las que más despiertan nuestra admiración son los hermosos cúmulos blancos, que se elevan muy alto en el cielo azul sobresaliendo como coliflores gigantescas. Si las condiciones de tiempo son correctas, un cúmulo grande continúa creciendo, elevándose miles de metros hacia la estratosfera al mismo tiempo que ensancha su base. Así se convierte en una nube tempestuosa, o sea, un cumulonimbos. Al estar plenamente desarrollado, su parte superior se hincha como un penacho y forma el yunque característico. De lejos todavía es una nube hermosa, pero para alguien que esté debajo de ella, ahora es un nubarrón, oscuro y amenazador. Pronto lluvias torrenciales, a veces con granizo, calan la tierra.

Es esta clase de nube la que genera los relámpagos y los truenos. Es como un gigantesco generador eléctrico en el cielo que se alza a una altura de ocho a dieciocho kilómetros y abarca una zona que a veces alcanza hasta 3.000 kilómetros cuadrados. Dentro de la nube violentas corrientes de viento ascienden y descienden, e impulsan gotas de agua y cristales de hielo a velocidades de 40 a 100 kilómetros por hora. Innumerables partículas de lluvia, hielo, aguanieve y granizo se precipitan de arriba a abajo, mientras la nube se retuerce y gira, ondula y se hincha.

Por supuesto, la gravedad sigue ejerciendo atracción sobre el agua y el hielo, y, de alguna manera, esta fricción desgarra electrones e iones en las superficies de separación entre el aire, el agua y el hielo. Las cargas son separadas por los vientos impetuosos. Estos transportan las cargas positivas a la parte superior de la nube mientras que las gotas de lluvia con cargas negativas se escurren hasta el fondo. La diferencia de potencial entre la parte superior y el fondo de la nube sigue aumentando a medida que la nube madura. Finalmente está a punto de “reventar” debido al tremendo exceso de carga. Frenéticamente la nube trata de librarse de los centenares de millones de voltios que ha producido dentro de sí misma con su violento agitar. La calidad aisladora del aire solamente puede aguantar cierto límite de presión eléctrica. Finalmente cede, y una cegadora ráfaga relampagueante alivia la fuerza dramáticamente.

Se calcula que en cualquier tiempo dado hay unas 3.000 tronadas azotando por toda la Tierra. La mayor parte de éstas se desatan sobre la tierra.

Gran parte del relampagueo ocurre dentro de la nube misma, pero la carga negativa que se va acumulando en el fondo de la nube abruma de tal manera el potencial normal de la Tierra que el rayo relampaguea también hacia el terreno, transportando electrones a la Tierra. Cuando la nube se disipa, la carga positiva de su parte superior logra llegar hasta la electrosfera. Entonces, en tiempo despejado, los iones positivos atraviesan la atmósfera hasta llegar a la Tierra para neutralizar la carga negativa de ésta, y los iones negativos suben a la electrosfera para neutralizar ésta. Así queda terminado el ciclo.

Cómo se forma el relámpago

Es difícil estudiar el rayo en el interior de la nube; no es un ambiente muy cómodo para el científico y sus instrumentos delicados. Pero con cámaras de alta velocidad es posible ver el rayo que cae a tierra, y fotografiarlo, y de esto los científicos han aprendido mucho acerca la formación progresiva de la descarga eléctrica. Este es el cuadro que emerge.

De los estudios hechos en laboratorios la descomposición eléctrica del aire, se sabe que el relámpago comienza cuando el campo eléctrico alcanza una fuerza de unos tres millones de voltios por metro. Lo que sucede es que cuando existe este voltaje los pocos electrones que constantemente están siendo liberados por los rayos cósmicos son impulsados con suficiente fuerza como para liberar otros electrones de las moléculas neutrales con las cuales chocan. Éstas, a su vez, son aceleradas, chocan con moléculas nuevas, y las ionizan. Así se va formando una verdadera avalancha de electrones que se aleja de la carga negativa en la nube y deja tras sí un rastro de iones positivos. Esto debilita la resistencia del aire y perfora un paso por el cual el rayo en desarrollo podrá atravesar la capa aisladora.

Cámaras que han sido diseñadas para detener la acción en unidades de tiempo que se miden en millonésimas de segundo (microsegundos) muestran que esta acción se efectúa paso a paso. Un “guía se abre paso” prorrumpiendo de la nube en un punto donde la resistencia del aire momentáneamente es más débil, y la avalancha de electrones avanza unos 50 metros. Entonces “se queda sin aliento,” por así decirlo, y pausa momentáneamente mientras el potencial aumenta en su extremo. Después de unos 50 microsegundos, vuelve a prorrumpir, tal vez en una dirección diferente, según la resistencia local del aire ionizado. Así, paso a paso, los guías sucesivos abren un camino de aire fuertemente ionizado de uno a diez metros de ancho, hacia la Tierra.

Puesto que el aire está más ionizado en algunos lugares que en otros, el camino fluctuante del guía se tuerce y zigzaguea para aprovecharse de cada variación favorable. Así es cómo el relámpago adquiere su familiar apariencia en forma bifurcada, a medida que irrumpe en una dirección u otra y explora varias ramas, siempre buscando el camino más fácil a la Tierra. Cuando llega a menos de 50 metros de su meta, una descarga eléctrica asciende desde un punto favorable del terreno para encontrarse con él. ¡Así se completa el circuito! La nube tiene un conducto por medio del cual puede descargar su insoportable carga de electrones en exceso.

Primero, los electrones en el canal que se encuentran en el punto más cercano al suelo salen a oleadas, y a éstos siguen inmediatamente los electrones que ejercen presión sobre ellos. De este modo el “azote” de regreso, que ahora resplandece brillantemente, asciende a la nube con una velocidad que se aproxima a la de la luz misma. Mientras que a los guías pudiera haberles llevado 20.000 microsegundos para llegar al suelo, el azote de regreso hace el viaje en solamente 70 microsegundos. Ahora por tal vez 40 microsegundos, la nube descarga una corriente que oscila entre 10.000 y 20.000 o más amperios. Por este breve momento genera una potencia de miles de millones de kilovatios... más potencia que todas las centrales eléctricas de la Tierra combinadas. ¡Un despliegue imponente de poder!

El azote desaparece rápidamente, pero rara vez es éste el fin de la acción. El camino del rayo a través del aire permanece y todavía está intensamente ionizado. Otras partes de la nube que todavía poseen una carga alta se precipitan a la región que se descargó, y esto continúa hacia abajo por el canal que todavía está abierto a la Tierra. Así, por lo general hay tres o cuatro azotes sucesivos, que se repiten tan rápidamente que lucen como un solo relámpago. A veces se precisan más de una docena de azotes para descargar la nube.

Ahora, en solamente la quinta parte de un segundo, el relámpago ha terminado su trabajo. ‘Todo ha pasado menos la gritería.’ La gritería, en este caso, es el trueno. Depende de la distancia a la que esté uno del rayo, si oye un golpe seco, un retumbo, o un ruido sordo. Un cilindro de aire estrecho y tortuoso de solamente unos cuantos centímetros de espesor en el paso del rayo ha sido calentado a más de 30.000 grados centígrados. En cuanto la corriente se desvanece, esta columna de aire sobrecalentada se expande explosivamente a velocidad supersónica. La onda de choque procedente de esta expansión ocasiona el trueno, que puede oírse hasta a 25 kilómetros de distancia.

Usted quizás se pregunte por qué el Creador tuvo a bien hacer el relámpago en las nubes. ¿Sirve para algo? Ciertamente que sí. Desempeña un papel principalísimo en el ciclo del nitrógeno en la naturaleza. El nitrógeno es esencial para la vida, y hay un vasto depósito de éste en la atmósfera. Pero las criaturas vivas no pueden usarlo directamente. Sin embargo, cuando ocurre una descarga eléctrica, el intenso calor divide en átomos tanto las moléculas de nitrógeno como las de oxígeno, y a medida que éstas se enfrían, muchas se combinan para formar óxidos de nitrógeno. Estos compuestos se disuelven en la lluvia y son trasportados al suelo. En éste, convertidos en nitratos, proveen un fertilizante vital para el crecimiento de las plantas. Este es un procedimiento principal para la fijación natural del nitrógeno. Se calcula que cada año las tronadas proveen centenares de millones de toneladas de nitratos.

Protéjase del rayo

En realidad hay razón para sentirse intranquilo cuando están cayendo rayos. Tienen un tremendo potencial destructivo. El rayo hace astillas árboles y postes telefónicos, horada agujeros en los techos y las paredes, y comienza muchos fuegos en los bosques y edificios. A menudo, en un árbol, la corriente eléctrica es tan intensa que instantáneamente vaporiza la humedad de la madera, y el vapor sobrecalentado literalmente hace volar el árbol en pedazos.

Es obvio que el rayo también puede matar. Los animales que tratan de refugiarse bajo un árbol durante una tronada a menudo son electrocutados cuando el rayo cae en el árbol. La gente a menudo sufre la misma calamidad, especialmente en las playas y en los campos de golf. En esos sitios los árboles solitarios a menudo son blancos probables de los rayos. Si usted está afuera cuando ocurre una tronada, no busque abrigo bajo un árbol aislado. En los bosques, aléjese de los árboles altos. Y evite las vallas de alambre, las tuberías y los rieles del ferrocarril. Se está más seguro en un valle que en la cima de una colina.

Si uno vive en una zona en la que a menudo hay tormentas eléctricas, sería prudente proteger su casa con pararrayos. Para que sean eficaces, éstos deben tener buena comunicación con la tierra. Varas puntiagudas conectadas por medio de alambre pesado (aislado del edificio) a un cable o plancha de metal bien enterrado atraen el rayo y lo conducen inofensivamente al terreno. También hay pararrayos que se pueden emplear para proteger las antenas de televisión y los cables de fuerza eléctrica que van a la casa.

Si durante la tronada usted está en su automóvil o en un tren, no tiene nada que temer. El cuerpo de metal que lo rodea distribuye la corriente eléctrica y la lleva a tierra. Igualmente, los pasajeros de un avión están a salvo de un rayo. A menudo caen rayos sobre los aviones, y éstos a veces salen con pequeños agujeros perforados en el forro de metal, pero no se ha informado caso alguno en que un avión se estrellara por causa directa de un rayo. Por supuesto, las violentas turbulencias de viento de las tronadas presentan un peligro del cual el piloto prudente sabe apartarse.

Por medio de tomar estas precauciones usted podrá estar tranquilo la próxima vez que una tronada se desate en su zona y disfrutar de este magnífico despliegue del poder del Creador. Y el saber algo de cómo funciona el rayo debe aumentar su aprecio de esa imponente fuerza del cielo.

[Ilustración de la página 17]

(Para ver el texto en su formato original, consulte la publicación)

CICLO ELÉCTRICO ENTRE TIERRA Y ATMÓSFERA

FLUJO DE ELECTRONES CICLO

INTENSAMENTE POSITIVA (FALTA DE ELECTRONES)

INTENSAMENTE NEGATIVA (EXCESO DE ELECTRONES)

RAYO

CORRIENTE IÓNICA DE BUEN TIEMPO

LIGERAMENTE POSITIVA (ELECTRONES REPELIDOS POR NUBE)

LIGERAMENTE NEGATIVA (EXCESO DE ELECTRONES)

[Tabla de la página 20]

(Para ver el texto en su formato original, consulte la publicación)

Un rayo típico

Longitud: 5 kilómetros

“Azotes” por rayo: 3 ó 4

Máximo de corriente: 20.000 amperios

Voltaje: 100.000.000 de voltios

Potencia máxima: 2.000.000.000 de kilovatios

Duración: ¹⁄₅ de segundo