Relámpago

El relámpago (del latín: re- + lamparé, infinitivo de lamparé, "brillar"), también denominado corisco, lôstrego o relámpago, es la emisión intensa de radiación electromagnética resultante de una descarga electrostática en la atmósfera (el relámpago) producida por una gran diferencia de potencial eléctrico entre porciones de materia (nube-nube o tierra-nube). La descarga provoca una corriente eléctrica de gran intensidad que ioniza el aire a su paso, creando un plasma sobrecalentado que emite radiación electromagnética, parte de la cual en forma de luz en el espectro visible (el propio rayo).El relámpago es percibido por el ojo humano como un relámpago repentino de intensa luminosidad, a menudo con un parpadeo brusco, que precede o acompaña al trueno, aunque por la noche se pueden ver relámpagos sin que vayan acompañados de truenos (fenómeno conocido como " congelamiento ") y durante el día se puede oír el trueno sin que se perciba el relámpago. Según un análisis de la Organización Meteorológica Mundial (OMM) de 2018, un mega rayo atravesó la atmósfera de Brasil y se extendió más de 700 kilómetros desde la costa atlántica hasta la frontera con Argentina. Este fue el rayo más largo jamás registrado.

Origen

El origen del rayo y el trueno ha sido objeto de muchas especulaciones e investigaciones a lo largo de los siglos, dando lugar a múltiples explicaciones de carácter religioso, mitológico y científico. En culturas de origen europeo, la primera explicación científica conocida la escribió el filósofo griego Aristóteles, en el siglo III a.C., atribuyendo el ruido al choque entre nubes y el relámpago al fuego de una exhalación expulsada por las nubes. Posteriormente, se produjeron varias teorías con variantes de la explicación aristotélica, las cuales, con diversas variantes, fueron generalmente aceptadas hasta el siglo XIX.

Después de que los experimentos de Benjamin Franklin y Louis Guillaume Lemonnier demostraran la naturaleza eléctrica de las tormentas, junto con los conocimientos adquiridos mientras tanto sobre las leyes de los gases, a mediados del siglo XIX surgió la teoría de que los rayos producían un vacío que llenaba repentinamente el entorno. aire provocó la explosión que dio origen al trueno. Las teorías alternativas atribuyeron los relámpagos y los truenos a una explosión de vapor provocada por el sobrecalentamiento de la humedad del aire provocada por el paso de la corriente eléctrica o la detonación de compuestos químicos volátiles creados por el paso de la electricidad a través del aire.Los avances en el conocimiento de los plasmas, los mecanismos de ionización y el electromagnetismo permitieron demostrar que los rayos resultan de la emisión de radiación electromagnética, incluida la luz visible, cuando el plasma generado en el canal de propagación del rayo es atravesado por la intensa corriente eléctrica de la descarga.

El mecanismo descrito anteriormente es consecuencia de la generación de descargas electrostáticas en una tormenta eléctrica que restablecen el equilibrio de potencial eléctrico entre áreas de nubes y suelo con cargas eléctricas opuestas. El aire, que en general funciona como aislante eléctrico, cuando la tensión eléctrica generada por el campo electrostático supera su tensión de ruptura dieléctrica, se ioniza y se vuelve conductora, permitiendo el inicio de la descarga, que, como consecuencia de la enorme corriente generada y la gran resistencia eléctrica del aire, calienta rápidamente el pequeño canal conductor creado, transformando el aire contenido en él en un plasma que se expande a velocidad supersónica. Es la luz emitida por este plasma la que produce el rayo y cuyo brillo hace que el canal de iones sea visible como el "rayo".

La temperatura medida por el análisis espectral dentro del canal de rayos, que generalmente tiene solo 2 a 5 cm de diámetro, generalmente varía durante los aproximadamente 50 μs en que el aire permanece completamente ionizado, aumentando rápidamente de aproximadamente 20 000 K a aproximadamente 30 000 K, y luego desciende gradualmente. a alrededor de 10,000K, luego desapareciendo. El valor de temperatura promedio del plasma formado es de aproximadamente 20 400 K (alrededor de 20 100 °C), casi cuatro veces mayor que el valor promedio de 5 502 °C registrado en la superficie del Sol. La emisión de luz se produce a lo largo de una estructura de configuración aproximadamente cilíndrica, que tiene como eje el canal iónico, que en promedio tiene una longitud de 5 a 6,5 ​​km.

A los efectos de carácter termodinámico hay que añadir los efectos de origen electrodinámico, a saber, la constricción axial (o z-pinch), que resultan de la acción electromagnética de la enorme corriente eléctrica que recorre el plasma durante la formación del rayo.

Se estima que, en promedio, solo alrededor del 9% de la energía disipada en la descarga se transforma en radiación electromagnética, y el resto se disipa como calor (90%) y como ondas de presión (1%), dando lugar a truenos. Dada la presencia de fuertes componentes en forma de ondas de radio y radiaciones ionizantes, la parte visible del espectro corresponde a un ínfimo porcentaje de la energía total disipada.

Características ópticas

Generalmente, el rayo es percibido por el observador como un pulso intenso de luz blanca o azulada, de una duración de algunas decenas de milisegundos, a veces con un parpadeo marcado, que en algunos casos puede revelar una secuencia rápida de dos o más destellos de distinta intensidad.

El color del rayo resulta de dos efectos distintos: (1) la emisión térmica del plasma y el aire sobrecalentado que rodea el canal de descarga, cuya longitud de onda, en términos de la Ley de Planck, está dictada por la temperatura respectiva; y (2) las emisiones espectrales resultantes de la ionización de los gases componentes del aire en las transiciones cuánticas entre diferentes niveles de energía durante la formación del plasma y el posterior retorno a la neutralidad.

La emisión térmica, como consecuencia de las altas temperaturas del plasma generado (superiores a 20 100 °C), produce una radiación luminosa con una fuerte componente en la parte más energética del espectro visible, con tendencia a los azulados y violetas (según el ley de Planck, esta coloración corresponde a las longitudes de onda más cortas de la región visible). Sin embargo, el canal de plasma y el aire sobrecalentado que lo rodea tienen un amplio rango de temperaturas, correspondientes a diferentes picos de emisión, lo que favorece la emisión de banda ancha, resultando en el blanqueamiento del rayo al combinar los diferentes colores generados.

Las emisiones espectrales, en un proceso de generación de luz similar a las lámparas de descarga (como las lámparas fluorescentes comunes), son el resultado de la ionización de los gases que componen el aire, emitiendo a diferentes frecuencias características, en un proceso que también contribuyó a hacer la luz tiende a pasar del relámpago al blanco. Sin embargo, en las descargas precursoras de los objetos terrestres y en los halos que se forman alrededor de las estructuras durante la fase inicial de la descarga, en la que predomina este tipo de emisión, predominan los colores correspondientes a la excitación del nitrógeno atmosférico, dando como resultado colores violáceos.

Como la luz de longitud de onda más corta (los tonos azulados) sufre una mayor atenuación en el aire, los rayos cercanos tienden a percibirse como azules, o al menos fuertemente azulados, mientras que los más distantes se perciben como blancos o incluso anaranjados cuando están muy lejos y por debajo del horizonte..

El aspecto centelleante de los rayos resulta de las múltiples descargas que se producen en cada evento, resultantes de la formación de múltiples canales o descargas sucesivas a lo largo de un mismo canal ionizado, fenómeno particularmente frecuente en los rayos nube-tierra. Los pulsos de mayor luminosidad, generalmente separados por microsegundos, corresponden a pulsos de intensificación de la descarga resultantes de las corrientes de retorno.

Características de la radiación electromagnética emitida

Los rayos tienen un espectro extremadamente amplio, con emisiones mucho más allá de los límites de la luz visible. En la composición espectral de la radiación electromagnética asociada a los rayos se encuentran frecuencias que van desde las ondas de radio ultralargas (VLF) hasta los rayos gamma de alta energía, pasando por la luz visible y los rayos X. La enorme dispersión del espectro electromagnético asociado al rayo se debe a que el canal de plasma del rayo es un emisor electromagnético de banda ancha, cuya amplitud de emisión a diferentes frecuencias varía durante el rayo ya que depende de los procesos electrodinámicos que ocurren en cada momento.

Todos los procesos asociados con el movimiento de cargas eléctricas implican necesariamente cambios en los campos eléctricos y magnéticos, cambios que resultan en la emisión de radiación electromagnética. En el caso de los rayos que generan descargas, las enormes corrientes involucradas emiten ondas de radio con un rango de frecuencia que se extiende desde menos de 1 Hz hasta 300 MHz, con una intensidad máxima en frecuencias de 5 a 10 kHz.

En el rango de frecuencia extremadamente baja (ELF) (3–300 Hz), las ondas de radio sufren poca atenuación y tienden a seguir la curvatura de la Tierra, y pueden propagarse varias veces alrededor del planeta antes de decaer en el ruido de fondo.Estas características de propagación se ven reforzadas por la resonancia de Schumann, un fenómeno que resulta de la superficie de la Tierra y la ionosfera formando una cavidad resonante que, cuando es excitada por la radiación de la descarga, desarrolla estados resonantes alrededor de longitudes de onda que son aproximadamente iguales a un submúltiplo integral. la circunferencia ecuatorial de la Tierra. En el caso de los rayos, este fenómeno provoca una amplificación de las señales por debajo de los 100 Hz, lo que permite que un receptor de radio sintonizado en estas frecuencias, ubicado en cualquier parte del mundo, detecte la caída de rayos que se produzcan en cualquier otro lugar del planeta.

En la parte menos energética del espectro electromagnético, a frecuencias más bajas, los rayos tienen una fuerte componente alrededor de los 10 kHz, asociada al inicio del golpe de retorno. Esta emisión provoca la típica interferencia de las tormentas en las emisiones de radiodifusión en onda larga y en las frecuencias más bajas de la onda media, produciendo un ruido audible y fácilmente identificable, permitiendo en la práctica utilizar un receptor de radio modulado en amplitud como detector de tormenta.

Por otro lado, el espectro de emisión del plasma atravesado por la descarga está determinado por los procesos físicos que dan origen al rayo, reflejando las propiedades del plasma, densidad de carga, densidad de electrones y temperatura del canal. En la región de la luz visible (400 — 700 nm), es decir, en lo que comúnmente se denomina "rayo", en la estructura del espectro emitido se pueden distinguir dos componentes de distinto origen: (1) las líneas esenciales, correspondiente a las líneas espectrales de los espectros de emisión de gases atmosféricos que se ionizan a lo largo del canal de descarga; y (2) las líneas características, variables entre eventos, reflejando las características esenciales de cada descarga.

Las líneas esenciales están presentes en todas las descargas, siendo un reflejo directo de la composición química de la atmósfera, revelando esencialmente las líneas espectrales de emisión de los distintos iones resultantes de la remoción de electrones de los gases que componen el aire. Las líneas espectrales más intensas corresponden a la emisión de distintas formas de nitrógeno [N _II (399,5 nm), N _II (463,0 nm), N _II (480,3 nm), N _II (500,5 nm), N _II (568,0 nm), N _II (594,2 nm) y N _I (648,2 nm)], de oxígeno [ O _neutro (777,4 nm)] y de hidrógeno [H _β (486,1 nm) y H _α(656,3nm)]. Aparecen dos líneas de emisión en las longitudes de onda de 604,6 nm y 619,4 nm.

Las líneas características reflejan esencialmente la temperatura del plasma en el canal de descarga y la densidad de la corriente eléctrica que lo atraviesa, estando afectada su estructura e intensidad relativa por fenómenos de naturaleza electrodinámica.

Los pulsos de emisión de rayos X y rayos gamma resultan de fenómenos de alta energía, consecuencia de la aceleración de electrones a energías entre 30 keV y 20 MeV. Los electrones son acelerados por el campo eléctrico a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, creando cascadas de electrones en un proceso de reacción en cadena. Estos electrones acelerados cuando son absorbidos por la colisión con un átomo emiten un fotón con energía en el rango de rayos X o rayos gamma.

Sin embargo, la emisión por tormentas de destellos de rayos gamma terrestres (terrestrial gamma-ray flashes) está asociada a procesos relativistas de creación y destrucción de antimateria, ya que se detectó la presencia de positrones en la región de origen de estos pulsos. El proceso de formación más probable será el mecanismo de retroalimentación relativista como resultado de una avalancha de electrones relativistas (RREA, de relativistic-runaway-electron avalanche).

Eventos de luz transitoria

Además de los rayos comunes, los eventos luminosos transitorios (TLE) están asociados con tormentas eléctricas.emisiones ópticas de corta duración, y generalmente de mucha menor luminosidad que los relámpagos, que se desarrollan en la atmósfera media y alta por encima de las tormentas eléctricas activas. Estos fenómenos, que se distribuyen en altitud desde la parte superior de la troposfera hasta la ionosfera, son un reflejo de los desequilibrios electrostáticos generados por las descargas, en particular por las descargas nube-tierra, y la propagación a través de la ionosfera de la pulso electromagnético (EMP) resultante de las enormes corrientes eléctricas transitorias que viajan a través de los canales de descarga en microsegundos. Las descargas positivas intensas de la nube al suelo, que a veces transfieren más de 100 Coulomb de carga positiva al suelo, se asocian a menudo con estos fenómenos.

Estas emisiones ópticas, que pueden considerarse formas exóticas de rayos, a pesar de recibir el nombre colectivo de eventos lumínicos transitorios, son un conjunto muy variado de fenómenos, que difieren sustancialmente en su génesis, ubicación y apariencia. Las escalas dimensionales relevantes van desde decenas de metros hasta decenas y cientos de kilómetros, mientras que las escalas temporales van desde cientos de μS hasta cientos de ms. La comprensión global de estos fenómenos, la mayoría de ellos observados recientemente, es aún incipiente y actualmente se desconocen muchos detalles sobre sus efectos físico-químicos en la atmósfera. Sin una traducción portuguesa generalmente aceptada, los fenómenos ópticos transitorios generalmente se agrupan en: (1) arrancadores azules / chorros azules;(2) duendes; y (3) duendes.

1. Los chorros azules son fuentes móviles de luz azul que se desarrollan lentamente desde la parte superior de las nubes tormentosas activas hasta altitudes de unos 50 km; Los blue starters son breves chorros ascendentes de luz azul que se propagan apenas unos kilómetros por encima de la nube que los origina, para acabar por debajo de los 26 km de altitud. Este grupo de fenómenos de luz se observó por primera vez en la década de 1990.
2. Los duendes (duendecillos) aparecen como un conjunto de columnas luminosas rojas de corta duración (< 50 ms) que se extienden de 30 a 90 km de altitud. Alrededor del 80% de los sprites están asociados con eventos que emiten radiación electromagnética de muy baja frecuencia (ELF) y descargas positivas de nube a tierra y parecen ser el resultado del retorno de un rayo con grandes picos de corriente.
3. Los duendes (elfos) son los inducidos por descargas, que ocurren a altitudes de 90 a 95 km sobre el suelo, en la parte baja de la ionosfera, y pueden ocurrir a más de 300 km lateralmente en relación con la trovada. Parecen ser el resultado de la interacción entre la ionosfera y el pulso electromagnético (EMP) propagado por la descarga, y aparentemente no están correlacionados con la polaridad de la fuente del rayo.

Los relámpagos lejanos, que se originan en nubes que, debido a la curvatura de la Tierra, se encuentran por debajo del horizonte del observador, a menudo son visibles de noche, especialmente sobre el mar. Conocidos como "heladas" o "rayos de calor", estos son en realidad rayos normales que se originan en tormentas distantes y no deben confundirse con eventos de luz transitorios u otros fenómenos inusuales.

Dado el interés que despierta el fenómeno, y su profunda y antigua conexión con mitos y religiones, existen múltiples descripciones de tipos exóticos de rayos, tanto en términos de duración, color de la luz percibida y forma. La existencia y características de la mayoría de estos fenómenos nunca han sido confirmadas científicamente, en el sentido moderno del término, sin embargo, una de las formas, el rayo asociado al fenómeno popularmente conocido como rayo en bola, ha merecido debate en los círculos científicos.