Rayo

Un rayo es una descarga electrostática natural durante la cual dos regiones cargadas eléctricamente, tanto en la atmósfera como una en el suelo, se neutralizan temporalmente, provocando la liberación instantánea de un promedio de un gigajulio de energía. Esta descarga puede producir una amplia gama de radiación electromagnética, desde el calor creado por el rápido movimiento de los electrones hasta destellos brillantes de luz visible en forma de radiación de cuerpo negro. Los relámpagos provocan truenos, un sonido de la onda de choque que se desarrolla cuando los gases en las cercanías de la descarga experimentan un aumento repentino de presión. Los relámpagos ocurren comúnmente durante las tormentas eléctricas, así como otros tipos de sistemas meteorológicos energéticos, pero los relámpagos volcánicos también pueden ocurrir durante las erupciones volcánicas.

Los tres tipos principales de rayos se distinguen por el lugar donde ocurren: ya sea dentro de una sola nube de tormenta, entre dos nubes diferentes o entre una nube y el suelo. Se reconocen muchas otras variantes de observación, incluido el "rayo de calor", que se puede ver desde una gran distancia pero no escuchar; rayos secos, que pueden provocar incendios forestales; y relámpagos en bola, que rara vez se observan científicamente.

Los humanos han deificado el rayo durante milenios. Las expresiones idiomáticas derivadas de un rayo, como la expresión inglesa "bolt from the blue", son comunes en todos los idiomas. En todo momento, la gente ha estado fascinada por la vista y la diferencia de los rayos. El miedo a los rayos se llama astrafobia.

La primera fotografía conocida de un rayo es de 1847, de Thomas Martin Easterly. La primera fotografía que se conserva es de 1882, de William Nicholson Jennings, un fotógrafo que pasó la mitad de su vida capturando imágenes de relámpagos y demostrando su diversidad.

Electrificación

Los detalles del proceso de carga aún están siendo estudiados por los científicos, pero existe un acuerdo general sobre algunos de los conceptos básicos de la electrificación de tormentas eléctricas. La electrificación puede ser por el efecto triboeléctrico como resultado de la transferencia de iones entre cuerpos en colisión. Las gotas de agua que chocan sin carga pueden cargarse debido a la transferencia de carga entre ellas (como iones acuosos) en un campo eléctrico como el que existiría en una nube de tormenta.El área de carga principal en una tormenta eléctrica ocurre en la parte central de la tormenta, donde el aire se mueve hacia arriba rápidamente (corriente ascendente) y las temperaturas oscilan entre -15 y -25 ° C (5 a -13 ° F); consulte la Figura 1. En esa área, la combinación de la temperatura y el rápido movimiento ascendente del aire produce una mezcla de gotas de nubes superenfriadas (pequeñas gotas de agua por debajo del punto de congelación), pequeños cristales de hielo y granizo suave. La corriente ascendente transporta hacia arriba las gotitas de las nubes súper enfriadas y los cristales de hielo muy pequeños. Al mismo tiempo, el graupel, que es considerablemente más grande y más denso, tiende a caer o quedar suspendido en el aire ascendente.

Las diferencias en el movimiento de la precipitación provocan colisiones. Cuando los cristales de hielo ascendentes chocan con el graupel, los cristales de hielo se cargan positivamente y el graupel se carga negativamente; consulte la Figura 2. La corriente ascendente transporta los cristales de hielo cargados positivamente hacia la parte superior de la nube de tormenta. El graupel más grande y más denso está suspendido en el medio de la nube de tormenta o cae hacia la parte inferior de la tormenta.

El resultado es que la parte superior de la nube de tormenta se carga positivamente, mientras que la parte media e inferior de la nube de tormenta se carga negativamente.

Los movimientos ascendentes dentro de la tormenta y los vientos en los niveles más altos de la atmósfera tienden a causar que los pequeños cristales de hielo (y la carga positiva) en la parte superior de la nube de tormenta se extiendan horizontalmente a cierta distancia de la base de la nube de tormenta. Esta parte de la nube de tormenta se llama yunque. Si bien este es el principal proceso de carga de la nube de tormenta, algunas de estas cargas pueden redistribuirse mediante movimientos de aire dentro de la tormenta (corrientes ascendentes y descendentes). Además, hay una acumulación de carga positiva pequeña pero importante cerca del fondo de la nube de tormenta debido a la precipitación y las temperaturas más cálidas.

La separación inducida de carga en agua líquida pura se conoce desde la década de 1840, al igual que la electrificación del agua líquida pura por el efecto triboeléctrico.

William Thomson (Lord Kelvin) demostró que la separación de carga en el agua ocurre en los campos eléctricos habituales en la superficie terrestre y desarrolló un dispositivo de medición de campo eléctrico continuo utilizando ese conocimiento.

Kelvin demostró la separación física de la carga en diferentes regiones usando agua líquida con el gotero de agua Kelvin. Se consideró que las especies portadoras de carga más probables eran el ion de hidrógeno acuoso y el ion de hidróxido acuoso.

También se ha considerado la carga eléctrica de agua helada sólida. Nuevamente se consideró que las especies cargadas eran el ion hidrógeno y el ion hidróxido.

Un electrón no es estable en agua líquida con respecto a un ion hidróxido más hidrógeno disuelto durante las escalas de tiempo involucradas en las tormentas eléctricas.

El portador de carga en un rayo son principalmente electrones en un plasma. El proceso de pasar de carga como iones (iones de hidrógeno positivos e iones de hidróxido negativos) asociados con agua líquida o agua sólida a carga como electrones asociados con rayos debe implicar alguna forma de electroquímica, es decir, la oxidación y/o la reducción. de especies químicas. Dado que el hidróxido funciona como una base y el dióxido de carbono es un gas ácido, es posible que las nubes de agua cargada en las que la carga negativa está en forma de ion hidróxido acuoso, interactúen con el dióxido de carbono atmosférico para formar iones de carbonato acuoso y carbonato de hidrógeno acuoso. iones

Consideraciones Generales

El relámpago típico de nube a tierra culmina en la formación de un canal de plasma conductor de electricidad a través del aire de más de 5 km (3,1 millas) de altura, desde el interior de la nube hasta la superficie del suelo. La descarga real es la etapa final de un proceso muy complejo. En su apogeo, una tormenta eléctrica típica produce tres o más golpes a la Tierra por minuto. Los relámpagos se producen principalmente cuando el aire caliente se mezcla con masas de aire más frías, lo que provoca las perturbaciones atmosféricas necesarias para polarizar la atmósfera. Sin embargo, también puede ocurrir durante tormentas de polvo, incendios forestales, tornados, erupciones volcánicas e incluso en el frío del invierno, donde los rayos se conocen como truenos.Los huracanes suelen generar algunos rayos, principalmente en las bandas de lluvia hasta 160 km (99 millas) del centro.

Distribución, frecuencia y extensión

Los rayos no se distribuyen uniformemente alrededor de la Tierra, como se muestra en el mapa.

En la Tierra, la frecuencia de los rayos es de aproximadamente 44 (± 5) veces por segundo, o casi 1400 millones de destellos por año, y la duración promedio es de 0,2 segundos compuesta por una cantidad de destellos mucho más cortos (golpes) de alrededor de 60 a 70 microsegundos.

Muchos factores afectan la frecuencia, la distribución, la fuerza y ​​las propiedades físicas de un relámpago típico en una región particular del mundo. Estos factores incluyen la elevación del suelo, la latitud, las corrientes de viento predominantes, la humedad relativa y la proximidad a cuerpos de agua cálidos y fríos. Hasta cierto punto, las proporciones de relámpagos intranubes, nube a nube y nube a tierra también pueden variar según la estación en latitudes medias.

Debido a que los seres humanos son terrestres y la mayoría de sus posesiones están en la Tierra, donde los rayos pueden dañarlos o destruirlos, los rayos de nube a tierra (CG) son los más estudiados y mejor comprendidos de los tres tipos, aunque en la nube (IC) y de nube a nube (CC) son tipos de rayos más comunes. La relativa imprevisibilidad de los rayos limita una explicación completa de cómo o por qué ocurren, incluso después de cientos de años de investigación científica. Alrededor del 70% de los relámpagos ocurren sobre la tierra en los trópicos donde la convección atmosférica es mayor.

Esto ocurre tanto por la mezcla de masas de aire más cálidas y más frías, como por las diferencias en las concentraciones de humedad, y generalmente ocurre en los límites entre ellas. El flujo de corrientes oceánicas cálidas que pasan por masas de tierra más secas, como la Corriente del Golfo, explica en parte la elevada frecuencia de los rayos en el sureste de los Estados Unidos. Debido a que las grandes masas de agua carecen de la variación topográfica que daría lugar a la mezcla atmosférica, los rayos son notablemente menos frecuentes sobre los océanos del mundo que sobre la tierra. Los polos norte y sur están limitados en su cobertura de tormentas eléctricas y, por lo tanto, resultan en áreas con menos relámpagos.

En general, los relámpagos CG representan solo el 25% del total de relámpagos en todo el mundo. Dado que la base de una tormenta suele tener carga negativa, aquí es donde se originan la mayoría de los rayos CG. Esta región normalmente se encuentra en la elevación donde se produce la congelación dentro de la nube. La congelación, combinada con las colisiones entre el hielo y el agua, parece ser una parte crítica del proceso inicial de desarrollo y separación de la carga. Durante las colisiones impulsadas por el viento, los cristales de hielo tienden a desarrollar una carga positiva, mientras que una mezcla de hielo y agua más pesada y fangosa (llamada graupel) desarrolla una carga negativa. Las corrientes ascendentes dentro de una nube de tormenta separan los cristales de hielo más livianos del granulado más pesado, lo que hace que la región superior de la nube acumule una carga espacial positiva mientras que el nivel inferior acumula una carga espacial negativa.

Debido a que la carga concentrada dentro de la nube debe exceder las propiedades aislantes del aire, y esto aumenta proporcionalmente a la distancia entre la nube y el suelo, la proporción de impactos de CG (frente a descargas de CC o IC) se vuelve mayor cuando la nube está más cerca del terrestre. En los trópicos, donde el nivel de congelación es generalmente más alto en la atmósfera, solo el 10% de los relámpagos son CG. En la latitud de Noruega (alrededor de los 60° de latitud norte), donde la elevación del punto de congelación es más baja, el 50 % de los rayos son CG.

Los relámpagos generalmente son producidos por nubes cumulonimbus, que tienen bases que suelen estar entre 1 y 2 km (0,62 y 1,24 millas) sobre el suelo y alcanzan una altura máxima de 15 km (9,3 millas).

El lugar de la Tierra donde ocurren los rayos con mayor frecuencia es cerca del pequeño pueblo de Kifuka en las montañas del este de la República Democrática del Congo, donde la elevación es de alrededor de 975 m (3200 pies). En promedio, esta región recibe 158 rayos por kilómetro cuadrado por año (410/mi2/año). El lago de Maracaibo en Venezuela tiene un promedio de 297 días al año con actividad de rayos, un efecto reconocido como rayo del Catatumbo. Otros puntos calientes de rayos incluyen Singapur y Lightning Alley en Florida Central.

Según la OMM de las Naciones Unidas, el 29 de abril de 2020, se observó un rayo de 768 km (477,2 millas) de largo en el sur de los EE. UU., sesenta km (37 millas) más que el récord de distancia anterior (sur de Brasil, 31 de octubre de 2018). Un solo destello en Uruguay y el norte de Argentina el 18 de junio de 2020 duró 17,1 segundos, 0,37 segundos más que el récord anterior (4 de marzo de 2019, también en el norte de Argentina). La mayor cantidad de personas muertas por un solo rayo directo ocurrió cuando 21 personas murieron mientras se acurrucaban para ponerse a salvo en una choza que fue alcanzada (1975, Zimbabue). En un ataque indirecto, 469 personas murieron cuando un rayo cayó sobre un conjunto de tanques de petróleo en 1994, provocando que el petróleo en llamas inundara una ciudad (1994, Dronka, Egipto).

Condiciones necesarias

Para que ocurra una descarga electrostática, son necesarias dos condiciones previas: primero, debe existir una diferencia de potencial suficientemente alta entre dos regiones del espacio y, segundo, un medio de alta resistencia debe obstruir la igualación libre y sin obstáculos de las cargas opuestas. La atmósfera proporciona el aislamiento eléctrico, o barrera, que impide la libre ecualización entre regiones cargadas de polaridad opuesta.

Es bien sabido que durante una tormenta hay separación y agregación de carga en ciertas regiones de la nube; sin embargo, los procesos exactos por los que esto ocurre no se comprenden completamente.

Generación de campo eléctrico

A medida que una nube de tormenta se mueve sobre la superficie de la Tierra, se induce una carga eléctrica igual, pero de polaridad opuesta, en la superficie de la Tierra debajo de la nube. La carga superficial positiva inducida, cuando se mide contra un punto fijo, será pequeña a medida que se acerca la nube de tormenta, aumentando a medida que llega el centro de la tormenta y disminuyendo a medida que pasa la nube de tormenta. El valor de referencia de la carga superficial inducida podría representarse aproximadamente como una curva de campana.

Las regiones con carga opuesta crean un campo eléctrico dentro del aire entre ellas. Este campo eléctrico varía en relación con la intensidad de la carga superficial en la base de la nube tormentosa: cuanto mayor sea la carga acumulada, mayor será el campo eléctrico.

Destellos y huelgas

La forma de rayo mejor estudiada y comprendida es el rayo de nube a tierra (CG). Aunque son más comunes, los destellos dentro de la nube (IC) y de nube a nube (CC) son muy difíciles de estudiar dado que no hay puntos "físicos" para monitorear dentro de las nubes. Además, dada la muy baja probabilidad de que un rayo caiga en el mismo punto repetida y consistentemente, la investigación científica es difícil incluso en áreas de alta frecuencia de CG.

Líderes de relámpagos

En un proceso que no se comprende bien, se inicia un canal bidireccional de aire ionizado, llamado "líder", entre regiones con cargas opuestas en una nube tormentosa. Los conductores son canales eléctricamente conductores de gas ionizado que se propagan a través de regiones con una carga opuesta a la de la punta del conductor, o que son atraídos por ellas. El extremo negativo del líder bidireccional llena una región de carga positiva, también llamada pozo, dentro de la nube, mientras que el extremo positivo llena un pozo de carga negativa. Los líderes a menudo se dividen, formando ramas en forma de árbol. Además, los líderes negativos y algunos positivos viajan de manera discontinua, en un proceso llamado "paso a paso". El movimiento brusco resultante de los líderes se puede observar fácilmente en videos en cámara lenta de relámpagos.

Es posible que un extremo del líder llene completamente el pozo con carga opuesta mientras que el otro extremo todavía está activo. Cuando esto sucede, el extremo líder que llenó el pozo puede propagarse fuera de la nube de tormenta y dar como resultado un destello nube-aire o un destello nube-tierra. En un destello típico de nube a tierra, un líder bidireccional se inicia entre las principales regiones de carga negativa y positiva inferior en una nube de tormenta. La región de carga positiva más débil se llena rápidamente con el líder negativo que luego se propaga hacia la tierra cargada inductivamente.

Los líderes cargados positiva y negativamente proceden en direcciones opuestas, positivo hacia arriba dentro de la nube y negativo hacia la tierra. Ambos canales iónicos proceden, en sus respectivas direcciones, en varios chorros sucesivos. Cada líder "agrupa" iones en las puntas principales, lanzando uno o más nuevos líderes, agrupando momentáneamente de nuevo para concentrar iones cargados y luego lanzando otro líder. El líder negativo continúa propagándose y dividiéndose a medida que se dirige hacia abajo, a menudo acelerando a medida que se acerca a la superficie de la Tierra.

Aproximadamente el 90% de las longitudes de los canales iónicos entre "piscinas" tienen aproximadamente 45 m (148 pies) de longitud. El establecimiento del canal iónico lleva una cantidad de tiempo comparativamente larga (cientos de milisegundos) en comparación con la descarga resultante, que se produce en unas pocas decenas de microsegundos. La corriente eléctrica necesaria para establecer el canal, medida en decenas o cientos de amperios, se ve eclipsada por las corrientes posteriores durante la descarga real.

La iniciación del líder relámpago no se entiende bien. La intensidad del campo eléctrico dentro de la nube de tormenta no suele ser lo suficientemente grande como para iniciar este proceso por sí misma. Se han propuesto muchas hipótesis. Una hipótesis postula que los rayos cósmicos crean lluvias de electrones relativistas y luego se aceleran a velocidades más altas a través de un proceso llamado ruptura fuera de control. A medida que estos electrones relativistas chocan e ionizan moléculas de aire neutrales, inician la formación de líderes. Otra hipótesis involucra la formación de campos eléctricos mejorados localmente cerca de gotas de agua alargadas o cristales de hielo. Teoría de la percolación, especialmente para el caso de percolación sesgada,describe fenómenos de conectividad aleatorios, que producen una evolución de estructuras conectadas similar a la de los rayos. Un modelo de avalancha de serpentinas se ha visto favorecido recientemente por los datos de observación tomados por LOFAR durante las tormentas.

Serpentinas ascendentes

Cuando un líder escalonado se acerca al suelo, la presencia de cargas opuestas en el suelo aumenta la fuerza del campo eléctrico. El campo eléctrico es más fuerte en objetos conectados a tierra cuyas partes superiores están más cerca de la base de la nube tormentosa, como árboles y edificios altos. Si el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte, un canal iónico cargado positivamente, llamado serpentina positiva o ascendente, puede desarrollarse desde estos puntos. Esto fue teorizado por primera vez por Heinz Kasemir.

A medida que se acercan los conductores cargados negativamente, aumentando la intensidad del campo eléctrico localizado, los objetos conectados a tierra que ya experimentan una descarga de corona superan un umbral y forman serpentinas ascendentes.

Archivo adjunto

Una vez que un líder descendente se conecta a un líder ascendente disponible, se forma un proceso denominado unión, un camino de baja resistencia y puede ocurrir una descarga. Se han tomado fotografías en las que se ven claramente serpentinas sueltas. Los conductores descendentes independientes también son visibles en relámpagos ramificados, ninguno de los cuales está conectado a tierra, aunque pueda parecer que lo están. Los videos de alta velocidad pueden mostrar el proceso de archivo adjunto en curso.

Descarga

Golpe de retorno

Una vez que un canal conductor une el espacio de aire entre el exceso de carga negativa en la nube y el exceso de carga superficial positiva debajo, hay una gran caída en la resistencia a través del canal del rayo. Los electrones se aceleran rápidamente como resultado de una zona que comienza en el punto de unión, que se expande por toda la red líder hasta un tercio de la velocidad de la luz. Este es el "golpe de retorno" y es la parte más luminosa y perceptible de la descarga del rayo.

Una gran carga eléctrica fluye a lo largo del canal de plasma, desde la nube hasta el suelo, neutralizando la carga positiva del suelo a medida que los electrones se alejan del punto de impacto hacia el área circundante. Esta enorme oleada de corriente crea grandes diferencias de voltaje radial a lo largo de la superficie del suelo. Llamados potenciales escalonados, son responsables de más lesiones y muertes en grupos de personas o de otros animales que el propio golpe. La electricidad toma todos los caminos disponibles para ella. Dichos potenciales de paso a menudo fluirán a través de una pierna y saldrán por la otra, electrocutando a un humano o animal desafortunado que se encuentre cerca del punto donde cae el rayo.

La corriente eléctrica del golpe de retorno tiene un promedio de 30 kiloamperios para un destello de CG negativo típico, a menudo denominado rayo "CG negativo". En algunos casos, un relámpago de tierra a nube (GC) puede originarse en una región cargada positivamente en el suelo debajo de una tormenta. Estas descargas normalmente se originan en la parte superior de estructuras muy altas, como antenas de comunicaciones. Se ha encontrado que la velocidad a la que viaja la corriente de carrera de retorno es de alrededor de 100.000 km/s (un tercio de la velocidad de la luz).

El flujo masivo de corriente eléctrica que se produce durante la carrera de retorno, combinado con la velocidad a la que se produce (medida en microsegundos), sobrecalienta rápidamente el canal guía completo, formando un canal de plasma de alta conductividad eléctrica. La temperatura central del plasma durante la carrera de retorno puede superar los 50.000 K, lo que hace que irradie con un color blanco azulado brillante. Una vez que la corriente eléctrica deja de fluir, el canal se enfría y se disipa durante decenas o cientos de milisegundos, a menudo desapareciendo como parches fragmentados de gas brillante. El calentamiento casi instantáneo durante la carrera de retorno hace que el aire se expanda explosivamente, produciendo una poderosa onda de choque que se escucha como un trueno.

Volver a atacar

Los videos de alta velocidad (examinados cuadro por cuadro) muestran que la mayoría de los relámpagos CG negativos se componen de 3 o 4 trazos individuales, aunque puede haber hasta 30.

Cada nuevo golpe está separado por una cantidad de tiempo relativamente grande, normalmente de 40 a 50 milisegundos, ya que otras regiones cargadas de la nube se descargan en golpes posteriores. Los re-encendidos a menudo causan un efecto de "luz estroboscópica" notable.

Para comprender por qué múltiples descargas de retorno utilizan el mismo canal de relámpagos, es necesario comprender el comportamiento de los líderes positivos, en los que se convierte efectivamente un rayo de tierra típico siguiendo la conexión del líder negativo con el suelo. Los líderes positivos decaen más rápidamente que los líderes negativos. Por razones que no se comprenden bien, los líderes bidireccionales tienden a iniciarse en las puntas de los líderes positivos deteriorados en los que el extremo negativo intenta volver a ionizar la red líder. Estos líderes, también llamados líderes de retroceso, suelen decaer poco después de su formación. Cuando logran hacer contacto con una parte conductora de la red líder principal, se produce un proceso similar a un golpe de retorno y un líder de dardoviaja a través de toda o una parte de la longitud de la guía original. Los líderes de dardos que hacen conexiones con el suelo son los que causan la mayoría de los golpes de retorno posteriores.

Cada golpe sucesivo está precedido por golpes intermedios de líder de dardos que tienen un tiempo de subida más rápido pero una amplitud más baja que el golpe de retorno inicial. Cada golpe subsiguiente suele reutilizar el canal de descarga tomado por el anterior, pero el canal se puede desplazar de su posición anterior a medida que el viento desplaza el canal caliente.

Dado que los procesos de líder de retroceso y dardo no ocurren en los líderes negativos, los golpes de retorno posteriores rara vez utilizan el mismo canal en los destellos de tierra positivos, que se explican más adelante en el artículo.

Corrientes transitorias durante el flash

La corriente eléctrica dentro de una descarga de rayo CG negativa típica aumenta muy rápidamente a su valor máximo en 1 a 10 microsegundos, luego decae más lentamente en 50 a 200 microsegundos. La naturaleza transitoria de la corriente dentro de un relámpago da como resultado varios fenómenos que deben abordarse en la protección efectiva de las estructuras basadas en tierra. Las corrientes que cambian rápidamente tienden a viajar en la superficie de un conductor, en lo que se llama el efecto piel, a diferencia de las corrientes directas, que "fluyen" por todo el conductor como el agua a través de una manguera. Por lo tanto, los conductores utilizados en la protección de instalaciones tienden a ser de varios hilos, con pequeños hilos entretejidos. Esto aumenta el área superficial total del paquete en proporción inversa al radio de la hebra individual, para un área transversal total fija.

Las corrientes que cambian rápidamente también crean pulsos electromagnéticos (EMP) que se irradian hacia afuera desde el canal iónico. Esta es una característica de todas las descargas eléctricas. Los pulsos radiados se debilitan rápidamente a medida que aumenta su distancia desde el origen. Sin embargo, si pasan sobre elementos conductores como líneas eléctricas, líneas de comunicación o tuberías metálicas, pueden inducir una corriente que viaja hacia afuera hasta su terminación. La corriente de sobretensión está inversamente relacionada con la impedancia de sobretensión: cuanto mayor es la impedancia, menor es la corriente.Esta es la oleada que, en la mayoría de los casos, resulta en la destrucción de dispositivos electrónicos delicados, electrodomésticos o motores eléctricos. Los dispositivos conocidos como protectores de sobrevoltaje (SPD) o supresores de sobrevoltaje transitorio (TVSS) conectados en paralelo con estas líneas pueden detectar la corriente irregular transitoria del relámpago y, mediante la alteración de sus propiedades físicas, enrutar el pico a una conexión a tierra adjunta, por lo tanto protegiendo el equipo de daños.

Tipos

Los puntos de "inicio" y "finalización" de un canal de destello definen tres tipos principales de rayos.

• Los relámpagos intranubes (IC) o en la nube ocurren dentro de una sola unidad de nube tormentosa.
• Los relámpagos de nube a nube (CC) o entre nubes comienzan y terminan entre dos unidades de nubes tormentosas "funcionales" diferentes.
• Los rayos de nube a tierra (CG) se originan principalmente en la nube de tormenta y terminan en la superficie de la Tierra, pero también pueden ocurrir en la dirección inversa, es decir, de tierra a nube.

Hay variaciones de cada tipo, como flashes CG "positivos" versus "negativos", que tienen diferentes características físicas comunes a cada uno que se pueden medir. Los diferentes nombres comunes utilizados para describir un evento de rayo en particular pueden atribuirse al mismo evento oa eventos diferentes.

Nube a tierra (CG)

El rayo de nube a tierra (CG) es una descarga de rayo entre una nube de tormenta y el suelo. Lo inicia un líder escalonado que baja de la nube, que se encuentra con una serpentina que sube desde el suelo.

CG es el menos común, pero mejor entendido de todos los tipos de rayos. Es más fácil de estudiar científicamente porque termina en un objeto físico, a saber, la Tierra, y se presta a ser medido por instrumentos en el suelo. De los tres tipos principales de rayos, representa la mayor amenaza para la vida y la propiedad, ya que termina en la Tierra o "golpea".

La descarga general, denominada flash, se compone de una serie de procesos, como la ruptura preliminar, los líderes escalonados, los líderes de conexión, los golpes de retorno, los líderes de dardo y los golpes de retorno posteriores. La conductividad del suelo, ya sea suelo, agua dulce o agua salada, puede afectar la tasa de descarga del rayo y, por lo tanto, las características visibles.

Rayo positivo y negativo

Los rayos de nube a tierra (CG) son positivos o negativos, según lo definido por la dirección de la corriente eléctrica convencional entre la nube y la tierra. La mayoría de los rayos CG son negativos, lo que significa que una carga negativa se transfiere a tierra y los electrones viajan hacia abajo a lo largo del canal del rayo (convencionalmente, la corriente fluye desde el suelo hasta la nube). Lo contrario sucede en un destello CG positivo, donde los electrones viajan hacia arriba a lo largo del canal del rayo y una carga positiva se transfiere al suelo (convencionalmente, la corriente fluye de la nube al suelo). Los rayos positivos son menos comunes que los rayos negativos y, en promedio, representan menos del 5% de todos los rayos.

Hay seis mecanismos diferentes teorizados para dar como resultado la formación de rayos positivos.

• La cizalladura vertical del viento desplaza la región superior de carga positiva de una nube de tormenta, exponiéndola al suelo que se encuentra debajo.
• La pérdida de regiones de menor carga en la etapa de disipación de una tormenta eléctrica, dejando la región primaria de carga positiva.
• Una disposición compleja de regiones de carga en una nube tormentosa, que da como resultado un dipolo invertido o un tripolo invertido en el que la región de carga negativa principal está por encima de la región de carga positiva principal en lugar de debajo de ella.
• Una región de carga positiva inferior inusualmente grande en la nube de tormenta.
• Corte de un líder negativo extendido desde su origen que crea un nuevo líder bidireccional en el que el extremo positivo golpea el suelo, comúnmente visto en destellos de arañas de yunque.
• El inicio de una rama positiva hacia abajo de un relámpago IC.

Contrariamente a la creencia popular, los relámpagos positivos no necesariamente se originan en el yunque o en la región superior de carga positiva y golpean un área libre de lluvia fuera de la tormenta eléctrica. Esta creencia se basa en la idea obsoleta de que los conductores de rayos son unipolares y se originan en su respectiva región de carga.

Los rayos positivos tienden a ser mucho más intensos que sus contrapartes negativas. Un rayo negativo promedio transporta una corriente eléctrica de 30 000 amperios (30 kA) y transfiere 15 C (culombios) de carga eléctrica y 1 gigajulio de energía. Los grandes relámpagos positivos pueden transportar hasta 120 kA y 350 C. El destello de tierra positivo promedio tiene aproximadamente el doble de la corriente máxima de un destello negativo típico y puede producir corrientes máximas de hasta 400 kA y cargas de varios cientos de culombios. Además, los destellos de tierra positivos con picos de corriente elevados suelen ir seguidos de corrientes continuas prolongadas, una correlación que no se ve en los destellos de tierra negativos.

Como resultado de su mayor poder, los rayos positivos son considerablemente más peligrosos que los negativos. Los rayos positivos producen picos de corriente más altos y corrientes continuas más prolongadas, lo que los hace capaces de calentar superficies a niveles mucho más altos, lo que aumenta la probabilidad de que se encienda un incendio. Las largas distancias que los rayos positivos pueden propagarse a través del aire claro explican por qué se los conoce como "rayos del azul", sin advertir a los observadores.

A pesar de la idea errónea popular de que se trata de relámpagos positivos debido a que aparentemente se originan en la región de carga positiva, las observaciones han demostrado que, de hecho, se trata de relámpagos negativos. Comienzan cuando IC parpadea dentro de la nube, el líder negativo luego sale de la nube desde la región de carga positiva antes de propagarse a través del aire claro y golpear el suelo a cierta distancia.

También se ha demostrado que los rayos positivos desencadenan la aparición de rayos hacia arriba desde la parte superior de estructuras altas y son en gran parte responsables de la iniciación de sprites a varias decenas de kilómetros sobre el nivel del suelo. Los relámpagos positivos tienden a ocurrir con mayor frecuencia en las tormentas de invierno, como la nieve tormentosa, durante los tornados intensos y en la etapa de disipación de una tormenta eléctrica. También se generan enormes cantidades de ondas de radio de frecuencia extremadamente baja (ELF) y de muy baja frecuencia (VLF).

Nube a nube (CC) e intranube (IC)

Las descargas de rayos pueden ocurrir entre áreas de nubes sin tocar el suelo. Cuando ocurre entre dos nubes separadas, se conoce como rayo de nube a nube (CC) o rayo entre nubes; cuando ocurre entre áreas de diferente potencial eléctrico dentro de una sola nube, se conoce como rayo intranube (IC). El rayo IC es el tipo que ocurre con más frecuencia.

Los relámpagos IC ocurren con mayor frecuencia entre la parte superior del yunque y los tramos inferiores de una tormenta eléctrica determinada. Este relámpago a veces se puede observar a grandes distancias por la noche como el llamado "relámpago de hoja". En tales casos, el observador puede ver solo un destello de luz sin escuchar ningún trueno.

Otro término utilizado para los rayos nube-nube o nube-nube-tierra es "Anvil Crawler", debido al hábito de la carga, que generalmente se origina debajo o dentro del yunque y se arrastra a través de las capas superiores de nubes de una tormenta eléctrica, a menudo generando múltiples ramas dramáticas. trazos Estos generalmente se ven cuando una tormenta eléctrica pasa sobre el observador o comienza a decaer. El comportamiento de orugas más vívido ocurre en tormentas eléctricas bien desarrolladas que presentan un cizallamiento extenso del yunque trasero.

• Ramificación de relámpagos de nube a nube, Nueva Delhi, India.
• Varias trayectorias de relámpagos de nube a nube, Swifts Creek, Australia.
• Relámpagos intranubes sobre el Mar Báltico.

Variaciones observacionales

• Rayo de oruga de yunque, a veces llamado rayo de arañase crea cuando los líderes se propagan a través de regiones de carga horizontalmente extensas en tormentas eléctricas maduras, generalmente las regiones estratiformes de los sistemas convectivos de mesoescala. Estas descargas generalmente comienzan como descargas IC que se originan dentro de la región convectiva; el extremo líder negativo luego se propaga bien en las regiones de carga antes mencionadas en el área estratiforme. Si la directriz se vuelve demasiado larga, puede separarse en varias directrices bidireccionales. Cuando esto sucede, el extremo positivo del líder separado puede golpear el suelo como un destello de CG positivo o arrastrarse por la parte inferior de la nube, creando una espectacular exhibición de relámpagos que se arrastran por el cielo. Los destellos a tierra producidos de esta manera tienden a transferir grandes cantidades de carga, y esto puede desencadenar destellos de relámpagos hacia arriba y relámpagos en la atmósfera superior.
• Los relámpagos en bola pueden ser un fenómeno eléctrico atmosférico, cuya naturaleza física aún es controvertida. El término se refiere a informes de objetos luminosos, generalmente esféricos, que varían desde el tamaño de un guisante hasta varios metros de diámetro. A veces se asocia con tormentas eléctricas, pero a diferencia de los relámpagos, que duran solo una fracción de segundo, los relámpagos en bola duran muchos segundos. Los relámpagos en bola han sido descritos por testigos presenciales, pero rara vez registrados por meteorólogos. Los datos científicos sobre los rayos en bola naturales son escasos debido a su poca frecuencia e imprevisibilidad. La presunción de su existencia se basa en avistamientos públicos informados y, por lo tanto, ha producido hallazgos algo inconsistentes. Brett Porter,un guardabosques, informó haber tomado una foto en Queensland, Australia en 1987.

• Bead lightning, también conocido por los términos Pearl Lightning, Chain Lightning, Perlschnurblitz y Eclair en Chapelet, por nombrar algunos, es la etapa de descomposición de un canal de rayos en el que la luminosidad del canal se rompe en segmentos. Casi todas las descargas de rayos exhibirán gotas a medida que el canal se enfría inmediatamente después de un golpe de retorno, a veces denominado etapa de 'salida de gotas' del rayo. El 'relámpago de cuentas' es más propiamente una etapa de una descarga normal de un rayo que un tipo de rayo en sí mismo. Las gotas de un canal de rayos suelen ser una característica a pequeña escala y, por lo tanto, a menudo solo son evidentes cuando el observador/la cámara está cerca del rayo.

• El relámpago en aire despejado describe un relámpago que ocurre sin una nube aparente lo suficientemente cerca como para haberlo producido. En las Montañas Rocosas de EE. UU. y Canadá, una tormenta eléctrica puede estar en un valle adyacente y no ser observable desde el valle donde cae el rayo, ya sea visual o audiblemente. Las áreas montañosas europeas y asiáticas experimentan eventos similares. También en áreas tales como sonidos, grandes lagos o llanuras abiertas, cuando la celda de tormenta está en el horizonte cercano (dentro de 26 km o 16 millas) puede haber alguna actividad distante, puede ocurrir una huelga y como la tormenta está tan lejos, la huelga se conoce como un rayo del azul. Estos destellos generalmente comienzan como relámpagos IC normales antes de que el líder negativo salga de la nube y golpee el suelo a una distancia considerable.Los impactos positivos en aire despejado pueden ocurrir en ambientes altamente cizallados donde la región de carga positiva superior se desplaza horizontalmente del área de precipitación.
• El relámpago nube-aire es un relámpago en el que un extremo de un líder bidireccional sale de la nube, pero no da como resultado un relámpago a tierra. Estos destellos a veces se pueden considerar como destellos de tierra fallidos. Los chorros azules y los chorros gigantes son una forma de relámpago de nube a aire o de nube a ionosfera donde se lanza un líder desde la parte superior de una tormenta eléctrica.
• El destello de la corona es un relámpago acompañado por el brillo de la corona del trueno seguido de la emanación de serpentinas similares a auroras en la atmósfera clara.
• Los relámpagos secos son relámpagos que ocurren sin precipitación en la superficie y son la causa natural más común de incendios forestales. Las nubes pirocúmulos producen relámpagos por la misma razón que lo producen las nubes cumulonimbos. Este término se usa principalmente en Australia, Canadá y los Estados Unidos.

• El relámpago bifurcado es un relámpago de nube a tierra que exhibe una ramificación de su camino.
• El relámpago de calor es un relámpago que parece no producir un trueno perceptible porque ocurre demasiado lejos para que se escuche el trueno. Las ondas sonoras se disipan antes de llegar al observador.

• Los relámpagos de cinta ocurren en tormentas eléctricas con fuertes vientos cruzados y múltiples golpes de retorno. El viento soplará cada golpe de retorno sucesivo ligeramente hacia un lado del golpe de retorno anterior, provocando un efecto de cinta.

• Los rayos de cohetes son una forma de descarga de nubes, generalmente horizontales y en la base de las nubes, con un canal luminoso que parece avanzar por el aire con una velocidad que se puede resolver visualmente, a menudo de forma intermitente.

• Los relámpagos laminares son relámpagos de nube a nube que exhiben un brillo difuso de la superficie de una nube, causado por la ocultación o la distancia de la ruta de descarga real. El rayo en sí no puede ser visto por el espectador, por lo que aparece solo como un destello o una lámina de luz. El relámpago puede estar demasiado lejos para distinguir destellos individuales.

• Rayo de canal suavees un término informal que se refiere a un tipo de relámpago de nube a tierra que no tiene ramificaciones visibles y aparece como una línea con curvas suaves en oposición a la apariencia irregular de la mayoría de los canales de relámpagos. Son una forma de relámpagos positivos generalmente observados en o cerca de las regiones convectivas de tormentas eléctricas severas en el centro norte de los Estados Unidos. Se teoriza que las tormentas eléctricas severas en esta región obtienen una estructura de carga "tripolar invertida" en la que la principal región de carga positiva está ubicada debajo de la principal región de carga negativa en lugar de encima de ella y, como resultado, estas tormentas eléctricas generan predominantemente nubes positivas. relámpago de tierra. El término "relámpago de canal suave" también se atribuye a veces a relámpagos ascendentes de tierra a nube,

• El relámpago staccato es un relámpago de nube a tierra (CG) que es un rayo de corta duración que (a menudo, pero no siempre) aparece como un solo destello muy brillante y, a menudo, tiene ramificaciones considerables. Estos se encuentran a menudo en el área de la bóveda visual cerca del mesociclón de las tormentas rotatorias y coincide con la intensificación de las corrientes ascendentes de las tormentas. Un golpe similar de nube a nube que consiste en un breve destello sobre un área pequeña, que parece una señal intermitente, también ocurre en un área similar de corrientes ascendentes giratorias.

• Los superbolts se definen de manera bastante vaga como impactos con una fuente de energía de más de 100 gigajulios [100 GJ] (la mayoría de los rayos llegan a alrededor de 1 gigajulio [1 GJ]). Los eventos de esta magnitud ocurren con una frecuencia de uno en 240 huelgas. No son categóricamente distintos de los rayos ordinarios y simplemente representan el borde superior de un continuo. Contrariamente a la idea errónea popular, los superrayos pueden tener carga positiva o negativa, y la relación de carga es comparable a la de un rayo "ordinario".

• El relámpago simpático es la tendencia de los relámpagos a coordinarse libremente a lo largo de largas distancias. Las descargas pueden aparecer en grupos cuando se ven desde el espacio.
• El relámpago hacia arriba o el relámpago de tierra a nube es un relámpago que se origina en la parte superior de un objeto conectado a tierra y se propaga hacia arriba desde este punto. Este tipo de relámpago puede ser provocado por un relámpago anterior o puede iniciarse por sí solo. El primero se encuentra generalmente en regiones donde ocurren rayos de araña y puede involucrar múltiples objetos conectados a tierra simultáneamente. Este último generalmente ocurre durante la estación fría y puede ser el tipo de rayo dominante en los eventos de tormentas de nieve.

Efectos

Rayo

Efectos sobre los objetos

Los objetos impactados por un rayo experimentan calor y fuerzas magnéticas de gran magnitud. El calor creado por las corrientes de los rayos que viajan a través de un árbol puede vaporizar su savia, provocando una explosión de vapor que revienta el tronco. A medida que el rayo viaja a través del suelo arenoso, el suelo que rodea el canal de plasma puede derretirse y formar estructuras tubulares llamadas fulguritas.

Efectos en edificios y vehículos.

Los edificios o estructuras altas golpeados por un rayo pueden dañarse ya que el rayo busca caminos sin obstáculos hacia el suelo. Al conducir de forma segura un rayo al suelo, un sistema de protección contra rayos, que generalmente incorpora al menos un pararrayos, puede reducir en gran medida la probabilidad de daños materiales graves.

Los aviones son muy susceptibles de ser alcanzados debido a sus fuselajes metálicos, pero los rayos generalmente no son peligrosos para ellos. Debido a las propiedades conductoras de la aleación de aluminio, el fuselaje actúa como una jaula de Faraday. Los aviones actuales están construidos para estar a salvo de un rayo y, por lo general, los pasajeros ni siquiera sabrán que ha sucedido.

Efectos en los animales

Aunque el 90 por ciento de las personas alcanzadas por un rayo sobreviven, los animales, incluidos los humanos, pueden sufrir lesiones graves debido a daños en los órganos internos y el sistema nervioso.

Otros efectos

Los rayos cumplen un papel importante en el ciclo del nitrógeno al oxidar el nitrógeno diatómico del aire en nitratos que se depositan con la lluvia y pueden fertilizar el crecimiento de las plantas y otros organismos.

Trueno

Debido a que la descarga electrostática de los rayos terrestres sobrecalienta el aire a temperaturas de plasma a lo largo del canal de descarga en un período corto, la teoría cinética dicta que las moléculas gaseosas experimentan un rápido aumento de presión y, por lo tanto, se expanden hacia afuera desde el rayo creando una onda de choque audible como un trueno.. Dado que las ondas sonoras no se propagan desde una única fuente puntual sino a lo largo de la trayectoria del rayo, las distancias variables del origen del sonido desde el observador pueden generar un efecto de balanceo o retumbo. La percepción de las características sónicas se complica aún más por factores como la geometría irregular y posiblemente ramificada del canal del rayo, el eco acústico del terreno y la característica generalmente de múltiples golpes del rayo.

La luz viaja a unos 300 000 000 m/s (980 000 000 pies/s) y el sonido viaja a través del aire a unos 343 m/s (1130 pies/s). Un observador puede aproximar la distancia al impacto cronometrando el intervalo entre el relámpago visible y el trueno audible que genera. Un relámpago que precede a su trueno por un segundo tendría una distancia de aproximadamente 343 m (1125 pies); un retraso de tres segundos indicaría una distancia de aproximadamente 1 km o 0,62 millas (3 × 343 m). Un relámpago que precede al trueno por cinco segundos indicaría una distancia de aproximadamente 1,7 km o 1,1 millas (5 × 343 m). En consecuencia, el impacto de un rayo observado a muy corta distancia irá acompañado de un trueno repentino, con un lapso de tiempo casi imperceptible, posiblemente acompañado de olor a ozono (O ₃).

Los relámpagos a una distancia suficiente pueden verse y no oírse; hay datos de que una tormenta eléctrica se puede ver a más de 160 km (100 millas) mientras que el trueno viaja unos 32 km (20 millas). Como anécdota, hay muchos ejemplos de personas que dicen 'la tormenta estaba directamente sobre nuestra cabeza o alrededor y, sin embargo, no hubo truenos'. Dado que las nubes de tormenta pueden tener hasta 20 km de altura, los rayos que ocurren en lo alto de la nube pueden parecer cercanos, pero en realidad están demasiado lejos para producir un trueno perceptible.

Radio

Las descargas de rayos generan pulsos de radiofrecuencia que pueden recibirse a miles de kilómetros de su fuente como señales atmosféricas de radio y silbidos.

Radiación de alta energía

La producción de rayos X por un rayo se predijo teóricamente ya en 1925, pero no se encontraron pruebas hasta 2001/2002, cuando investigadores del Instituto de Minería y Tecnología de Nuevo México detectaron emisiones de rayos X de un rayo inducido. a lo largo de un cable conectado a tierra arrastrado por un cohete disparado hacia una nube de tormenta. En el mismo año, los investigadores de la Universidad de Florida y Florida Tech utilizaron una serie de detectores de campo eléctrico y rayos X en un centro de investigación de rayos en el norte de Florida para confirmar que los rayos naturales producen rayos X en grandes cantidades durante la propagación de los líderes escalonados. La causa de las emisiones de rayos X sigue siendo objeto de investigación, ya que la temperatura de los rayos es demasiado baja para explicar los rayos X observados.

Varias observaciones realizadas con telescopios espaciales han revelado emisiones de rayos gamma de energía aún mayor, los llamados destellos de rayos gamma terrestres (TGF). Estas observaciones plantean un desafío a las teorías actuales de los rayos, especialmente con el reciente descubrimiento de las firmas claras de antimateria producida en los rayos. Investigaciones recientes han demostrado que especies secundarias, producidas por estos TGF, como electrones, positrones, neutrones o protones, pueden ganar energías de hasta varias decenas de MeV.

Ozono y óxidos de nitrógeno

Las altísimas temperaturas generadas por los rayos provocan aumentos locales significativos de ozono y óxidos de nitrógeno. Cada relámpago en las zonas templadas y subtropicales produce una media de 7 kg _de NOx. En la troposfera el efecto de los rayos puede aumentar el _NOx en un 90% y el ozono en un 30%.

Volcánico

La actividad volcánica produce condiciones favorables a los rayos de múltiples maneras. La enorme cantidad de material pulverizado y gases expulsados ​​explosivamente a la atmósfera crea una densa columna de partículas. La densidad de cenizas y el movimiento constante dentro de la pluma volcánica produce carga por interacciones friccionales (triboelectrificación), lo que resulta en destellos muy potentes y muy frecuentes cuando la nube intenta neutralizarse. Debido al extenso contenido de material sólido (ceniza), a diferencia de las zonas generadoras de carga ricas en agua de una nube de tormenta normal, a menudo se la denomina tormenta sucia.

• Se han presenciado destellos potentes y frecuentes en la columna volcánica desde la erupción del Vesubio del año 79 d. C. por Plinio el Joven.
• Del mismo modo, los vapores y las cenizas que se originan en los respiraderos en los flancos del volcán pueden producir destellos más pequeños y localizados de más de 2,9 km de largo.
• Pequeñas chispas de corta duración, recientemente documentadas cerca del magma recién extruido, atestiguan que el material está altamente cargado incluso antes de ingresar a la atmósfera.

Si la columna de ceniza volcánica alcanza temperaturas bajo cero, se forman partículas de hielo y chocan con las partículas de ceniza para causar la electrificación. Los rayos se pueden detectar en cualquier explosión, pero la causa de la electrificación adicional de las partículas de hielo en las cenizas puede generar un campo eléctrico más fuerte y una mayor tasa de rayos detectables. Los rayos también se utilizan como una herramienta de monitoreo de volcanes para detectar erupciones peligrosas.

Relámpago de fuego

Los incendios forestales intensos, como los observados en la temporada de incendios forestales de Australia 2019-20, pueden crear sus propios sistemas meteorológicos que pueden producir rayos y otros fenómenos meteorológicos. El calor intenso de un incendio hace que el aire se eleve rápidamente dentro de la columna de humo, lo que provoca la formación de nubes pirocumulonimbos. Este aire ascendente turbulento atrae aire más frío, lo que ayuda a enfriar la pluma. El penacho ascendente se enfría aún más por la presión atmosférica más baja a gran altura, lo que permite que la humedad en él se condense en la nube. Las nubes Pyrocumulonimbus se forman en una atmósfera inestable. Estos sistemas meteorológicos pueden producir rayos secos, tornados de fuego, vientos intensos y granizo sucio.

Extraterrestre

Se han observado relámpagos dentro de las atmósferas de otros planetas, como Júpiter y Saturno. Aunque son una minoría en la Tierra, los superrayos parecen ser comunes en Júpiter.

Los rayos en Venus han sido un tema controvertido después de décadas de estudio. Durante las misiones soviéticas Venera y US Pioneer de las décadas de 1970 y 1980, se detectaron señales que sugerían la presencia de rayos en la atmósfera superior. Aunque el sobrevuelo de Venus de la misión Cassini-Huygens en 1999 no detectó señales de relámpagos, la ventana de observación duró apenas unas horas. Los pulsos de radio registrados por la nave espacial Venus Express (que comenzó a orbitar Venus en abril de 2006) pueden originarse a partir de un rayo en Venus.

Fenómenos relacionados con el ser humano

• También se ha observado que las estelas de los aviones influyen en los rayos en un pequeño grado. Las estelas densas de vapor de agua de los aviones pueden proporcionar una vía de menor resistencia a través de la atmósfera, lo que influye en el establecimiento de una vía iónica para que la siga un relámpago.
• Las columnas de escape de los cohetes proporcionaron un camino para los rayos cuando se vio que golpeaban el cohete Apolo 12 poco después del despegue.
• Las explosiones termonucleares, al proporcionar material adicional para la conducción eléctrica y una atmósfera localizada muy turbulenta, se han visto desencadenando relámpagos dentro de la nube en forma de hongo. Además, la intensa radiación gamma de grandes explosiones nucleares puede desarrollar regiones intensamente cargadas en el aire circundante a través de la dispersión Compton. Las regiones de carga espacial intensamente cargadas crean múltiples descargas de rayos en el aire poco después de que el dispositivo detona.

Estudio científico

La ciencia del rayo se llama fulminología.

Propiedades

El trueno se escucha como un estruendo rodante que se disipa gradualmente porque el sonido de diferentes partes de un golpe largo llega en momentos ligeramente diferentes.

Cuando el campo eléctrico local excede la rigidez dieléctrica del aire húmedo (alrededor de 3 MV/m), la descarga eléctrica da como resultado una descarga , a menudo seguida de descargas proporcionales que se ramifican desde la misma ruta. Los mecanismos que hacen que las cargas se acumulen hasta convertirse en un rayo siguen siendo objeto de investigación científica. Un estudio de 2016 confirmó que se trata de una ruptura dieléctrica. Los relámpagos pueden ser causados ​​por la circulación de aire tibio lleno de humedad a través de campos eléctricos. Las partículas de hielo o agua acumulan carga como en un generador Van de Graaff.

Investigadores de la Universidad de Florida descubrieron que las velocidades unidimensionales finales de 10 destellos observados estaban entre 1,0 × 10 y 1,4 × 10 m/s, con un promedio de 4,4 × 10 m/s.

Detección y seguimiento

El primer detector inventado para advertir de la proximidad de una tormenta eléctrica fue la campana del relámpago. Benjamin Franklin instaló uno de esos dispositivos en su casa. El detector se basó en un dispositivo electrostático llamado 'carillón eléctrico' inventado por Andrew Gordon en 1742.

Las descargas de rayos generan una amplia gama de radiaciones electromagnéticas, incluidos pulsos de radiofrecuencia. Los momentos en que un pulso de una descarga de rayo llega a varios receptores se pueden utilizar para localizar la fuente de la descarga con una precisión del orden de metros. El gobierno federal de los Estados Unidos ha construido una red nacional de tales detectores de rayos, lo que permite rastrear las descargas de rayos en tiempo real en todo el territorio continental de los EE. proporciona mapas de rayos casi en tiempo real en blitzortung.org

La guía de onda Tierra-ionosfera atrapa ondas electromagnéticas VLF y ELF. Los pulsos electromagnéticos transmitidos por los rayos se propagan dentro de esa guía de ondas. La guía de ondas es dispersiva, lo que significa que su velocidad de grupo depende de la frecuencia. La diferencia del retardo de tiempo de grupo de un pulso de rayo en frecuencias adyacentes es proporcional a la distancia entre el transmisor y el receptor. Junto con los métodos de radiogoniometría, esto permite localizar rayos hasta distancias de 10.000 km desde su origen. Además, las frecuencias propias de la guía de ondas ionosférica de la Tierra, las resonancias de Schumann a unos 7,5 Hz, se utilizan para determinar la actividad global de las tormentas eléctricas.

Además de la detección de rayos en tierra, se han construido varios instrumentos a bordo de satélites para observar la distribución de rayos. Estos incluyen el detector de transitorios ópticos (OTD), a bordo del satélite OrbView-1 lanzado el 3 de abril de 1995, y el posterior sensor de imágenes de rayos (LIS) a bordo de TRMM lanzado el 28 de noviembre de 1997.

A partir de 2016, la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica lanzó satélites meteorológicos Geostationary Operational Environmental Satellite–R Series (GOES-R) equipados con instrumentos Geostationary Lightning Mapper (GLM), que son detectores ópticos transitorios del infrarrojo cercano que pueden detectar los cambios momentáneos en un escena óptica, indicando la presencia de un rayo. Los datos de detección de rayos se pueden convertir en un mapa en tiempo real de la actividad de los rayos en todo el hemisferio occidental; esta técnica de mapeo ha sido implementada por el Servicio Meteorológico Nacional de los Estados Unidos.

Activado artificialmente

• Los relámpagos activados por cohetes se pueden "activar" lanzando cohetes especialmente diseñados que arrastran carretes de alambre hacia las tormentas eléctricas. El cable se desenrolla a medida que el cohete asciende, creando un terreno elevado que puede atraer a los líderes descendentes. Si se conecta un líder, el cable proporciona una vía de baja resistencia para que ocurra un relámpago. El cable es vaporizado por el flujo de corriente de retorno, creando un canal de plasma relámpago recto en su lugar. Este método permite que la investigación científica de los rayos se lleve a cabo de una manera más controlada y predecible.El Centro Internacional para la Investigación y Pruebas de Rayos (ICLRT) en Camp Blanding, Florida, generalmente usa rayos disparados por cohetes en sus estudios de investigación.
• activado por láserDesde la década de 1970, los investigadores han intentado desencadenar rayos por medio de láseres infrarrojos o ultravioleta, que crean un canal de gas ionizado a través del cual los rayos se conducirían a tierra. Dicha activación de rayos está destinada a proteger las plataformas de lanzamiento de cohetes, las instalaciones de energía eléctrica y otros objetivos sensibles.En Nuevo México, EE. UU., los científicos probaron un nuevo láser de teravatios que provocó un rayo. Los científicos dispararon pulsos ultrarrápidos desde un láser extremadamente poderoso enviando así varios teravatios a las nubes para provocar descargas eléctricas en las nubes de tormenta sobre la región. Los rayos láser enviados desde el láser crean canales de moléculas ionizadas conocidas como filamentos. Antes de que el rayo caiga sobre la tierra, los filamentos conducen la electricidad a través de las nubes, desempeñando el papel de pararrayos. Los investigadores generaron filamentos que vivieron un período demasiado corto para desencadenar un rayo real. Sin embargo, se registró un aumento en la actividad eléctrica dentro de las nubes. Según los científicos franceses y alemanes que realizaron el experimento, los pulsos rápidos enviados desde el láser podrán provocar rayos a pedido.El análisis estadístico mostró que sus pulsos de láser de hecho aumentaron la actividad eléctrica en la nube de tormenta a la que apuntaban; de hecho, generaron pequeñas descargas locales ubicadas en la posición de los canales de plasma.

Manifestaciones físicas

Magnetismo

El movimiento de cargas eléctricas produce un campo magnético (ver electromagnetismo). Las intensas corrientes de la descarga de un rayo crean un campo magnético fugaz pero muy fuerte. Cuando la trayectoria de la corriente del rayo atraviesa roca, suelo o metal, estos materiales pueden magnetizarse permanentemente. Este efecto se conoce como magnetismo remanente inducido por rayos o LIRM. Estas corrientes siguen el camino menos resistivo, a menudo horizontalmente cerca de la superficie, pero a veces verticalmente, donde las fallas, los cuerpos minerales o el agua subterránea ofrecen un camino menos resistivo. Una teoría sugiere que las piedras imán, imanes naturales encontrados en la antigüedad, se crearon de esta manera.

Las anomalías magnéticas inducidas por rayos se pueden mapear en el suelo, y el análisis de materiales magnetizados puede confirmar que el rayo fue la fuente de la magnetización y proporcionar una estimación de la corriente máxima de la descarga del rayo.

La investigación en la Universidad de Innsbruck ha encontrado que los campos magnéticos generados por el plasma pueden inducir alucinaciones en sujetos ubicados dentro de los 200 m (660 pies) de una tormenta eléctrica severa.

Viento solar y rayos cósmicos

Algunos rayos cósmicos de alta energía producidos por las supernovas, así como las partículas solares del viento solar, ingresan a la atmósfera y electrifican el aire, lo que puede crear caminos para los rayos.

Relámpagos y cambio climático

Debido a la baja resolución de los modelos climáticos globales, es difícil representar con precisión los rayos en estos modelos climáticos, en gran parte debido a su incapacidad para simular el imperativo de convección y hielo en las nubes, que son fundamentales para la formación de rayos. La investigación del programa Future Climate for Africa demuestra que el uso de un modelo que permite la convección sobre África puede capturar con mayor precisión las tormentas eléctricas convectivas y la distribución de partículas de hielo. Esta investigación indica que el cambio climático puede aumentar la cantidad total de rayos solo ligeramente: la cantidad total de días con rayos por año disminuye, mientras que más hielo en las nubes y una convección más fuerte conducen a que se produzcan más rayos en los días en que ocurren.

Un estudio de la Universidad de Washington analizó la actividad de los rayos en el Ártico entre 2010 y 2020. La proporción de rayos en el Ártico se comparó con el total de rayos globales y se observó que aumentaba con el tiempo, lo que indica que la región está cada vez más influenciada por los rayos.. Se encontró que la fracción de brazadas por encima de los 65 grados norte aumentaba linealmente con la anomalía de la temperatura global de la NOAA y creció en un factor de 3 a medida que la anomalía aumentaba de 0,65 a 0,95 °C.

Paleorayos

Paleolightning se refiere a los restos de la antigua actividad de rayos estudiada en campos como la geología histórica, la geoarqueología y la fulminología. Paleolightning proporciona evidencia tangible para el estudio de la actividad de los rayos en el pasado de la Tierra y los roles que los rayos pueden haber jugado en la historia de la Tierra. Algunos estudios han especulado que la actividad de los rayos desempeñó un papel crucial en el desarrollo no solo de la atmósfera primitiva de la Tierra, sino también de la vida temprana. Se ha descubierto que los rayos, un proceso no biológico, producen material biológicamente útil a través de la oxidación y reducción de materia inorgánica. La investigación sobre el impacto de los rayos en la atmósfera de la Tierra continúa hoy en día, especialmente con respecto a los mecanismos de retroalimentación de los compuestos de nitrato producidos por los rayos sobre la composición atmosférica y las temperaturas promedio globales.Detectar actividad de rayos en el registro geológico puede ser difícil, dada la naturaleza instantánea de los rayos en general. Sin embargo, la fulgurita, un mineraloide vítreo con forma de tubo, con forma de costra o irregular que se forma cuando un rayo fusiona el suelo, las arenas de cuarzo, la arcilla, la roca, la biomasa o el caliche, prevalece en las regiones eléctricamente activas de todo el mundo y proporciona evidencia de que no solo actividad de rayos pasada, sino también patrones de convección. Dado que los canales de rayos llevan una corriente eléctrica al suelo, los rayos también pueden producir campos magnéticos. Si bien las anomalías magnéticas de los rayos pueden proporcionar evidencia de la actividad de los rayos en una región, estas anomalías a menudo son problemáticas para quienes examinan el registro magnético de los tipos de rocas porque disfrazan los campos magnéticos naturales presentes.

En la cultura y la religión

Religión y mitología

En muchas culturas, el rayo se ha visto como parte de una deidad o una deidad en sí misma. Estos incluyen al dios griego Zeus, el dios azteca Tlaloc, el dios maya K, el Perun de la mitología eslava, los Pērkons/Perkūnas bálticos, Thor en la mitología nórdica, Ukko en la mitología finlandesa, el dios hindú Indra, el dios yoruba Sango, Illapa en Inca mitología y el dios sintoísta Raijin. En la religión tradicional de las tribus bantúes africanas, el rayo es un signo de la ira de los dioses. Las escrituras del judaísmo, el islam y el cristianismo también atribuyen una importancia sobrenatural a los rayos. En el cristianismo, la Segunda Venida de Jesús se compara con un rayo.

Expresiones y refranes

La expresión "El rayo nunca cae dos veces (en el mismo lugar)" es similar a "La oportunidad nunca golpea dos veces" en el sentido de una oportunidad "única en la vida", es decir, algo que generalmente se considera improbable. Los rayos ocurren con frecuencia y más en áreas específicas. Dado que varios factores alteran la probabilidad de impactos en un lugar determinado, los rayos repetidos tienen una probabilidad muy baja (pero no son imposibles). Del mismo modo, "Un rayo caído del cielo" se refiere a algo totalmente inesperado, y "Una persona a la que le cae un rayo" es una metáfora imaginativa o cómica para que alguien experimente una revelación única en la vida, sorprendente y repentina a la velocidad del rayo, similar a una epifanía o una iluminación.

En francés e italiano, la expresión para "Amor a primera vista" es coup de foudre y colpo di fulmine, respectivamente, que traducido literalmente significa "golpe de rayo". Algunos idiomas europeos tienen una palabra separada para el rayo que golpea el suelo (a diferencia del rayo en general); a menudo es un cognado de la palabra inglesa "rays". El nombre del caballo de pura sangre más célebre de Australia, Phar Lap, deriva de la palabra común Zhuang y Thai para rayo.

Cultura política y militar

El relámpago en heráldica se llama rayo y se muestra como un zigzag con extremos no puntiagudos. Este símbolo suele representar potencia y velocidad.

Algunos partidos políticos usan relámpagos como símbolo de poder, como el Partido de Acción Popular en Singapur, la Unión Británica de Fascistas durante la década de 1930 y el Partido de los Derechos de los Estados Nacionales en los Estados Unidos durante la década de 1950. El Schutzstaffel, el ala paramilitar del Partido Nazi, usó la runa Sig en su logotipo, que simboliza el rayo. La palabra alemana Blitzkrieg, que significa "guerra relámpago", fue una importante estrategia ofensiva del ejército alemán durante la Segunda Guerra Mundial.

El rayo es una insignia común para las unidades de comunicaciones militares en todo el mundo. Un rayo es también el símbolo de la OTAN para un activo de señal.