El Electrodo de la Naturaleza
por Andrew Hall
La imagen de arriba procede de la NOAA e ilustra la teoría de consenso sobre la génesis del rayo. Como se puede ver, muestra electrones acumulándose como canicas en un fregadero, acelerando por una pendiente resbaladiza hacia lo que parece un desagüe.
Un rayo típico de nube a tierra necesita mil trillones de electrones (un billón-trillón, en la notación anglosajona). ¿Están los electrones simplemente flotando al azar en las nubes cuando, de repente, mil trillones de ellos saltan a un imaginario tubo de desagüe, tal como retrata esta imagen?
La noción de consenso es que la carga se acumula en las tormentas por electricidad estática. La fricción de granizo y lluvia al chocar en la tormenta genera una carga estática, como frotar un globo contra el pelo o arrastrar los pies sobre una alfombra.
Según esta noción de consenso, las partículas cargadas positiva y negativamente que resultan de esta fricción se separan en capas. Las capas donde se encuentran "agrupándose" están en límites térmicos definidos. Así que se piensa que estas capas límite térmicas mantienen separadas las "piscinas de carga", excepto cuando se forma un arco entre ellas.
Anatomía eléctrica de una supercélula
La situación se representa en esta imagen de la NOAA de una supercélula, donde se muestran capas de carga estratificadas dentro de la nube. Para volverse coherente, estratificarse y ser capaz de acumular carga suficiente para un rayo de ocho kilómetros de longitud —mil trillones de electrones—, la densidad de carga necesaria implica que hay un plasma involucrado.
De hecho, es más que una implicación. ¿De qué otra forma podría acumularse tanta carga para crear semejantes arcos? No hay ningún cable en el cielo, ninguna terminal de batería ni electrodo que genere un arco. Estas "piscinas de carga" deben ser plasmas.
Para comportarse como un plasma, basta con que el 1% del aire neutro esté ionizado. La génesis del rayo requiere un plasma porque eso es lo que forma el "electrodo" en el cielo. Consideremos el rayo y cómo, por qué y dónde se forma el plasma para desempeñar su papel en su creación.
Cielo eléctrico
Sabemos que la atmósfera terrestre es un circuito eléctrico. Transporta carga, corriente y voltaje.
El aire es un conductor débil, con una corriente vertical variable entre el suelo y la ionosfera de 1 a 3 picoamperios por metro cuadrado. La resistencia de la atmósfera es de 200 ohmios. El potencial de voltaje de "cielo despejado" promedia entre 200 y 400 mil voltios entre la Tierra y la atmósfera superior.
En un momento dado, hay unas 2.000 tormentas eléctricas ocurriendo en todo el mundo. Para crear un rayo, el potencial del campo eléctrico debe superar la ruptura dieléctrica del aire, de 3 millones de voltios por metro. Lo consigue porque el campo eléctrico en una tormenta se dispara hasta más de 300 millones de voltios.
Un rayo típico mide entre cinco y ocho kilómetros de longitud y entrega momentáneamente unos 30.000 amperios a tierra. La corriente colectiva de una tormenta típica entrega entre 0,5 y 1 amperio.
El circuito se completa: una corriente mundial de la Tierra al cielo, y tormentas que la devuelven del cielo a tierra. Las 2.000 tormentas eléctricas simultáneas, cada una de aproximadamente un amperio y medio, hacen que esta corriente mundial sea de unos 3.000 amperios.
Solo que esa no es toda la historia, porque hay mucho más sobre la circuitería terrestre que la ciencia desconoce. También hay un intercambio de la atmósfera al espacio, y del espacio a la atmósfera. Esto todavía no se ha medido ni comprendido con precisión.
La existencia de descargas de plasma desde las tormentas hacia el espacio, llamadas sprites, gnomos y elfos por su apariencia breve y etérea, es un descubrimiento científico relativamente reciente. Su génesis, potencia y frecuencia distan mucho de estar comprendidas. Wal Thornhill trata estos fenómenos con mucho más detalle en su artículo The Balloon Goes up over Lightning.
Los rayos cósmicos entran en la atmósfera, añadiendo carga continuamente. El ritmo al que la Tierra queda expuesta al viento solar fluctúa ampliamente, tanto porque la corriente solar fluctúa como porque también lo hace la intensidad del campo magnético terrestre. A veces el escudo que este proporciona se desplaza, dejando entrar más rayos cósmicos por "agujeros".
La electricidad fluye alrededor de la Tierra en corrientes de Birkeland, moldeadas por el campo geomagnético. La forma en que estas corrientes fluctúan en densidad, y las corrientes inducidas resultantes en la atmósfera y el suelo, es otra área de incertidumbre científica.
Debido a la variabilidad, la variedad, y al hecho de que no se han advertido hasta hace poco, la ciencia de consenso todavía no puede comprender cuánta corriente está entrando o saliendo del sistema atmosférico terrestre desde el espacio.
El propio suelo también transporta un potencial que varía. Salvo por la visión monocroma de los ecos sísmicos, ni siquiera podemos ver qué hay bajo la corteza terrestre para comprender el flujo de corriente allí. Ni tampoco si, cómo o dónde la corriente terrestre podría entrar en la atmósfera. Para la electricidad, las capas límite como la corteza terrestre no son una barrera impermeable, son un electrodo.
Existe una "cavidad" definida por la superficie de la Tierra y el borde interior de la ionosfera. Se ha calculado que, en un momento dado, la carga total que reside en esta cavidad es de 500.000 culombios. Las ondas electromagnéticas se reflejan en el límite de la cavidad —el suelo y la ionosfera— y establecen ondas electromagnéticas cuasi-estacionarias en frecuencias resonantes. W. O. Schumann predijo las propiedades resonantes de la cavidad en 1952, y fueron detectadas por primera vez en 1954. Se las llama resonancias de Schumann y se miden como impulsos electromagnéticos de banda ancha en frecuencias del orden de 5 a 50 Hz.
La atmósfera es innegablemente eléctrica. No se trata de unos pocos iones flotando benignamente en el aire, formando ocasionalmente "piscinas de carga", sino de un circuito globalmente activo y coherente. ¿Qué debería decirnos eso sobre el rayo? ¿No debe formar también parte de este sistema resonante coherente? ¿No pide a gritos un modelo mejor que el de canicas en un desagüe?
Afortunadamente, existe un modelo al que recurrir. Se llama electrónica.
Se reconoce generalmente que los arcos atmosféricos creados en un circuito ocurren por emisión termoiónica. Todo el mundo ha visto un cátodo caliente formando un arco, como en un arco de soldadura, donde los electrones se liberan de la superficie metálica del electrodo por el calor. El metal se calienta por su propia resistencia a la corriente y comienza a emitir electrones por encima de un umbral de temperatura específico del material del electrodo. La temperatura para muchos materiales es de miles de grados.
Otra forma de descarga, menos reconocida, es la emisión por efecto de campo o de cátodo frío. No generan electrones por emisión termoiónica. El electrodo se calienta, pero no de forma apreciable, porque no es el calor lo que libera los electrones. Es la intensidad del campo eléctrico —un potencial de alto voltaje— lo que arranca electrones de cualquier material presente, incluido el propio aire.
Cuando esto sucede, el campo organiza la materia iónica en una estructura de plasma llamada corona. La corona es el electrodo en el cielo que descarga el rayo.
La descarga coronal se emplea de diversas formas en la tecnología moderna. Requiere un alto voltaje, que es precisamente lo que está presente en una tormenta eléctrica: 300 millones de voltios, o mil veces más intenso que en tiempo despejado.
La corona es el único fenómeno eléctrico que puede dar lugar a una descarga no termoiónica en condiciones atmosféricas. Es la fuerza motriz de la tormenta y el generador del rayo.
La corona se produce en una capa perpendicular al campo eléctrico, donde el campo arranca electrones de los átomos, enviándolos hacia abajo a una velocidad cercana a la de la luz a lo largo del gradiente del campo, para colisionar inevitablemente con otro átomo.
La colisión libera más electrones que siguen el campo eléctrico, dejando iones atrás. La región donde se arrancan electrones es un plasma frío y parcial. El aumento de la densidad de carga por arranque y colisión amplifica y da forma al campo eléctrico, que se autoorganiza en una corona. Las "piscinas de carga" estratificadas en la atmósfera no son piscinas de carga positiva y negativa tal como se representan, sino coronas que exhiben polaridad positiva o negativa, compuestas por alguna mezcla de iones y especies neutras interactuando eléctricamente.
Los electrones libres continúan el proceso de colisión en lo que se llama una avalancha. La avalancha se representa en el proceso del líder escalonado (step leader) mostrado en la imagen, y es un precursor observado de un rayo.
La avalancha es, sin embargo, solo la mitad de la imagen. El rayo viene de abajo tanto como de arriba. El campo eléctrico también agrupa iones positivos en el suelo, debajo de la tormenta. Filamentos iónicos streamers, de aire cargado positivamente, se extienden por el campo eléctrico hacia las nubes.
Un rayo ocurre cuando el líder escalonado en cascada y el streamer se encuentran, completando un canal de plasma. Nada de esto se ve a simple vista. Todo es corriente oscura hasta este punto.
El canal del rayo se completa cuando conecta con un streamer de tierra. La conexión permite un vertido de electrones desde la corona hacia tierra. Después, los iones, más pesados y significativamente más lentos, suben por el canal en un golpe de retorno (return stroke).
El golpe de retorno puede verse en la imagen como el destello brillante que ocurre en el momento en que el primer zarcillo de la corriente de avalancha alcanza la Tierra, dejando solo un camino resplandeciente tras el destello.
La corona proporciona el reservorio de carga y el mecanismo de corriente oscura para la avalancha necesarios para formar un arco. Esto es lo que falta en las nociones de consenso. La otra noción de consenso, que la carga estática se acumula por colisiones de granizo, también es insuficiente.
Un estudio que usó interferometría y radar Doppler para correlacionar el rayo con los vientos ascendentes y descendentes mostró que el rayo se forma en los vientos de baja presión alrededor de la corriente ascendente central de aire cálido y húmedo de la célula de tormenta. A medida que una tormenta se organiza y la corriente ascendente se acelera, la frecuencia de rayos se intensifica drásticamente.
Los vientos de corriente ascendente no producen muchos rayos hasta que alcanzan entre 16 y 32 km/h. Después, la frecuencia de descargas se acelera con la velocidad de la corriente ascendente. Entre 32 y 80 km/h, la frecuencia de rayos puede ser de 5 a 20 descargas por minuto, mientras que por encima de 145 km/h, la tasa de destellos puede superar una descarga por segundo.
Es como un motor en marcha, y la corriente ascendente central es el motor principal.
El agua en una corriente ascendente de tormenta atraviesa todas sus fases: de vapor de agua a condensado de nube, a gota de lluvia, a hielo. La estructura de una tormenta eléctrica se orienta verticalmente alrededor de la corriente ascendente central. Los cambios de fase estratifican la carga en temperaturas donde las transiciones crean eventos de ionización.
El agua es autoionizante. El agua en su estado líquido sufre una autoionización cuando dos moléculas de agua forman un anión hidróxido (OH⁻) y un catión hidronio (H₃O⁺). El agua puede ionizarse además por impurezas, como el dióxido de carbono, para formar ácido carbónico. El agua que se condensa en nubes y gotas dentro de un campo eléctrico intenso proporciona un evento de ionización.
El agua puede sobresaturarse —superar el 100% de humedad relativa— si el aire se enfría rápidamente, por ejemplo, al ascender de golpe en una corriente ascendente. La inestabilidad por sobresaturación proporciona otra oportunidad de ionización.
El hielo es típicamente un portador de carga positiva, lo que significa que la corriente fluye sobre su superficie en corrientes de iones positivos. La congelación instantánea de agua sobre el hielo, a medida que crecen los granizos, proporciona otra oportunidad de ionización.
Cada capa de aire en una tormenta tiene una temperatura, humedad, presión y velocidad diferentes, transportando distintas fases del agua a diferentes presiones parciales, lo que significa que la conductividad del aire también está cambiando.
Este último punto es importante recordarlo. Entender mejor cómo esto crea coronas requiere una mirada más amplia a la circuitería de una tormenta de supercélula, algo que resultará interesante porque mostrará cómo las coronas producen otros efectos. Quizá incluso explique todos los efectos de las tormentas eléctricas. La circuitería eléctrica de una supercélula se continuará en el próximo artículo, complementario, sobre el clima eléctrico de la Tierra.
[Traducido y adaptado por metahistoria.org a partir del artículo «Nature's Electrode», de Andrew Hall (fuente: thunderbolts.info)]