Rayo para niños
El rayo es una descarga natural muy potente de electricidad estática. Se produce durante una tormenta eléctrica y genera un pulso de energía. Cuando el rayo se descarga, emite una luz brillante que llamamos relámpago.
Un rayo mide en promedio 1500 metros. El más largo registrado fue en Texas y alcanzó los 190 kilómetros. Un rayo puede viajar a una velocidad de hasta 200.000 kilómetros por hora. Siempre viene acompañado de un relámpago (la luz) y un trueno (el sonido).
Aunque la mayoría de los rayos ocurren dentro de las nubes o entre ellas, los rayos que caen a tierra son los más peligrosos para las personas. La mayor parte de los rayos se producen en las zonas tropicales del planeta, donde vive mucha gente, y principalmente en los continentes. Están relacionados con las corrientes de aire ascendentes, casi siempre con tormentas. Sin embargo, también pueden originarse en otros eventos, como erupciones volcánicas, grandes explosiones o fuertes incendios forestales. Los científicos también pueden crear rayos de forma artificial para estudiarlos. Los rayos no solo ocurren en la Tierra, sino también en otros planetas del Sistema Solar, como Júpiter y Saturno.
Algunas teorías científicas sugieren que estas descargas eléctricas pudieron ser muy importantes para el inicio de la vida en la Tierra. También ayudaron a mantenerla. En la historia de la humanidad, el rayo pudo haber sido la primera fuente de fuego, algo esencial para el desarrollo de las técnicas. Por eso, el relámpago siempre ha causado asombro y aparece en muchas leyendas y mitos como un símbolo del poder de los dioses. Más tarde, las investigaciones científicas descubrieron su naturaleza eléctrica. Desde entonces, los rayos se estudian constantemente por su relación con las tormentas.
Debido a la gran fuerza de los voltajes y las corrientes eléctricas que produce, el rayo es siempre peligroso. Por eso, los edificios y las redes eléctricas necesitan pararrayos y sistemas de protección. Aun con estas protecciones, los rayos siguen causando muertes y lesiones en todo el mundo.
Todavía se debate cómo se inicia la descarga eléctrica. Los científicos han investigado las causas, desde cambios en la atmósfera (como el viento, la humedad y la presión) hasta los efectos del viento solar y la acumulación de partículas cargadas del sol. Se cree que el hielo es clave para que se separen las cargas positivas y negativas dentro de la nube. Un rayo se ve como un camino muy brillante de plasma (aire ionizado por la alta tensión) que recorre grandes distancias, a veces con ramificaciones. Sin embargo, existen formas raras, como el rayo globular, cuya naturaleza aún no se conoce bien. Los cambios en el campo eléctrico causados por los rayos en la troposfera pueden generar fenómenos luminosos temporales en la parte alta de la atmósfera.
Cada año se registran 16 millones de tormentas con rayos. La frecuencia de los relámpagos es de unas 44 veces por segundo, o casi 1.400 millones de destellos al año. La duración promedio de un rayo es de 0.2 segundos. El rayo más largo en duración se registró en marzo de 2018 en el norte de Argentina y duró 16.73 segundos. En octubre de 2018, se registró en Brasil el rayo más extenso horizontalmente, con 709 kilómetros de longitud. Un rayo viaja a una velocidad promedio de 440 kilómetros por segundo, pudiendo alcanzar hasta 1400 kilómetros por segundo. La diferencia de potencial promedio con respecto al suelo es de mil millones de voltios.
La ciencia que estudia todo lo relacionado con los rayos se llama ceraunología.
Contenido
Historia del estudio de los rayos
Los rayos probablemente existieron en la Tierra mucho antes que la vida, hace más de 3.000 millones de años. Además, es probable que los rayos fueran fundamentales para la formación de las primeras moléculas orgánicas, que son esenciales para el origen de las primeras formas de vida. Desde el principio de la historia, los relámpagos han fascinado a los seres humanos. El fuego que producen los rayos al caer al suelo pudo haber sido el origen de su uso por los humanos primitivos. Lo usaban para calentarse por la noche y para mantener alejados a los animales salvajes. El hombre primitivo buscó explicaciones para este fenómeno, creando supersticiones y mitos que se incorporaron a las religiones más antiguas.
Importancia para la vida
Desde el punto de vista de la biología, se cree que los rayos tuvieron un papel importante en el origen de la vida en la Tierra. Experimentos como el de Miller-Urey demostraron que, en una atmósfera primitiva, las descargas eléctricas pudieron haber provocado las reacciones necesarias para crear las primeras moléculas de la vida, como los Aminoácidos (moléculas fundamentales en todos los seres vivos).
Investigación científica de los rayos
En las culturas europeas antiguas, la primera explicación científica conocida fue escrita por el filósofo griego Aristóteles en el siglo IV. Él pensaba que las tormentas eran el choque de dos nubes y el rayo era el fuego que salía de ellas. Sin embargo, los primeros estudios científicos serios no se hicieron hasta 1752, en Marly-la-Ville, cerca de París. Allí, Thomas-François Dalibard atrajo los rayos usando una barra alta de hierro aislada del suelo con botellas de vidrio. Este experimento demostró que los rayos son de naturaleza eléctrica. Después, se hicieron muchas pruebas. Una de las más famosas es la de Benjamin Franklin, quien usó cometas y globos para elevar hilos conductores. Estos hilos generaron pequeños relámpagos gracias al campo eléctrico en las nubes.
Franklin también mostró que los rayos se manifestaban "más a menudo con electricidad negativa, pero a veces con positiva". Además, propuso usar varillas grandes de metal para protegerse de los rayos. Él creía que estas varillas harían que la electricidad pasara silenciosamente de la nube al suelo. Más tarde, se dio cuenta de que las varillas no cambiaban las cargas eléctricas en las nubes, sino que en realidad atraían los rayos. Finalmente, comprendió que, aunque no se podían evitar las descargas eléctricas, al menos se podían atraer a un punto seguro, lo que hoy conocemos como pararrayos. Para demostrar que sus ideas funcionaban, Franklin reunió a cientos de personas cerca de Siena, Italia, en 1777, en un lugar donde caían muchos rayos. Después de instalar el pararrayos, la gente vio cómo el rayo golpeaba la barra de metal sin causar daño.
En 1876, James Clerk Maxwell sugirió crear depósitos para la pólvora negra que estuvieran completamente cubiertos por una capa de metal. Esto evitaría que los rayos detonaran la pólvora. Cuando un rayo golpeaba el depósito, la corriente eléctrica se quedaba en la capa exterior y no llegaba a la pólvora. Este sistema se conoce hoy como jaula de Faraday. También se puede usar un sistema de rejilla, pero cuanto mayor sea la distancia entre los conductores, menos efectiva será la protección. Las combinaciones del pararrayos de Franklin y la jaula de Faraday todavía se usan en el siglo XXI para proteger edificios, especialmente aquellos con dispositivos electrónicos delicados.
La llegada de la fotografía y la espectroscopia a finales del siglo XIX fue muy importante para el estudio de los rayos. Varios científicos usaron el espectro de luz que generan los rayos para calcular la cantidad de energía involucrada en este proceso físico tan rápido. El uso de la cámara fotográfica también permitió descubrir que los rayos tienen dos o más flujos eléctricos. El desarrollo de nuevos aparatos en el siglo XX, como los osciloscopios y los medidores de campos electromagnéticos, ha permitido entender mejor cómo se originan y aparecen los rayos.
¿Cómo son los rayos?
El rayo, que se asocia más comúnmente con las tormentas eléctricas, es un gigantesco arco eléctrico de electricidad estática. A través de él se forma un canal conductor por donde se transfieren cargas eléctricas. Hay varios tipos de rayos: los que ocurren dentro de una misma nube, entre dos nubes, entre una nube y el aire, y entre una nube y el suelo. Los puntos donde el rayo hace contacto dependen de cómo se distribuyen las cargas eléctricas dentro de las nubes.
En general, la forma en que se distribuyen las cargas en las nubes convectivas (las que tienen corrientes de aire ascendentes) crea un campo eléctrico muy fuerte. En la parte superior de la nube, que se aplana y se extiende, se acumulan las cargas positivas en pequeños cristales de hielo que suben con las corrientes de aire. En el centro, donde la temperatura suele estar entre -20 y -10 °C, hay muchas cargas negativas. Los dipolos (pares de cargas opuestas) que se forman valen decenas de culombios y están separados por unos pocos kilómetros en vertical. En la base de la nube, generalmente se forma una pequeña zona con cargas positivas, que son solo de unos pocos culombios. En tormentas más grandes, la distribución eléctrica es mucho más compleja.
Carga de las nubes
Para que ocurra un rayo, el interior de la nube debe tener un campo eléctrico importante. Este campo surge del cambio en la distribución de las cargas, lo que electrifica la nube. No se sabe exactamente cómo sucede este fenómeno, aunque se han propuesto algunas ideas y principios básicos. Los modelos de electrificación se dividen en dos: el convectivo y el de colisiones.
Según el modelo de electrificación convectiva, las cargas eléctricas iniciales provienen de un campo eléctrico que ya existía antes de que se formara la nube de tormenta. A medida que la nube de tormenta crece, los iones positivos se acumulan dentro de ella, lo que provoca que aparezcan cargas negativas en sus bordes. Como los vientos dentro de la nube son ascendentes, las corrientes de aire en dirección opuesta aparecen en los bordes de la nube. Estas corrientes transportan las cargas negativas inducidas hacia la base de la nube, creando así dos regiones con electricidad diferente. A medida que el proceso avanza, la nube puede atraer nuevas cargas por sí misma, lo que permite que aparezcan los rayos. Aunque este modelo muestra la importancia de la convección en la electrificación, no explica completamente la distribución de carga al principio de la tormenta ni a largo plazo.
El modelo de electrificación por colisiones, como su nombre indica, supone que la transferencia de carga ocurre cuando las partículas de la nube chocan durante el proceso de convección. Sin embargo, no hay un acuerdo sobre cómo se produce la polarización y la separación de cargas en las diminutas partículas de hielo. Las teorías se dividen en dos clases: las inductivas (que dependen de un campo eléctrico que ya existe) y las no inductivas.
En la hipótesis inductiva, el campo eléctrico que ya existe, que normalmente apunta hacia abajo, hace que aparezcan cargas positivas en la parte inferior y cargas negativas en la parte opuesta. La separación de las cargas parece necesitar una fuerte corriente de aire ascendente que lleve las gotas de agua hacia arriba, superenfriándolas entre los -10 y los -20 °C. Las partículas tienen diferentes tamaños, por lo que las más pesadas tienden a caer mientras que las más ligeras son arrastradas por los vientos. El contacto de las partículas más pequeñas con la parte inferior de las más grandes provoca la transferencia de cargas: la más ligera queda con carga positiva y la más pesada con carga negativa. Las colisiones con los cristales de hielo forman una mezcla de agua-hielo llamada granizo. La gravedad hace que el granizo, al ser más pesado (y con carga negativa), caiga hacia el centro y las partes más bajas de las nubes. A medida que la nube crece, se acumulan cargas negativas en su base y cargas positivas en su parte superior. Esto intensifica cada vez más el campo eléctrico y el proceso de polarización de partículas hasta que las diferencias de potencial son suficientes para iniciar una descarga.
La hipótesis de electrificación no inductiva, en cambio, se basa en la generación de cargas a partir de la colisión entre partículas con diferentes propiedades. Los gránulos de nieve (partículas esféricas más pequeñas que el granizo) y los pequeños cristales de hielo, al chocar, adquieren cargas opuestas. Los primeros, más pesados, llevan cargas negativas, mientras que los cristales alcanzan la parte superior de la nube, que por lo tanto queda cargada positivamente. Para que esto ocurra, deben darse condiciones favorables, como la temperatura (menos de -10 °C) y la cantidad adecuada de agua en la nube. Según las características observadas, este parece ser el proceso más importante de electrificación de la nube de tormenta, aunque no descarta otros procesos.
El mecanismo exacto por el cual ocurre la separación de cargas sigue siendo objeto de investigación y hay más hipótesis.
Tipos de descargas de rayos
En condiciones normales, la atmósfera terrestre es un buen aislante eléctrico. La rigidez dieléctrica del aire a nivel del mar es de tres millones de voltios por metro, pero disminuye con la altitud porque el aire es menos denso. A medida que las cargas de la nube se separan, el campo eléctrico se vuelve más y más fuerte. Finalmente, supera la capacidad aislante del aire. Así, aparece un camino de plasma conductor por donde las cargas eléctricas pueden fluir libremente, formando un rayo que alcanza cientos de millones de voltios.
Los rayos se manifiestan de varias formas y se clasifican según dónde "empiezan" y "terminan" el canal de luz:
- Rayos dentro de una nube (intranubosos o IC): Ocurren dentro de una misma nube de tormenta y son los más comunes.
- Rayos de nube a nube (internubosos o CC): Empiezan y terminan en dos nubes de tormenta diferentes.
- Rayos de nube a tierra (CG): Se originan principalmente en la nube de tormenta y terminan en la superficie de la Tierra. También pueden ocurrir en la dirección opuesta, es decir, de tierra a nube. Hay variaciones de cada tipo, como los rayos de nube a tierra "positivos" o "negativos", que tienen características físicas diferentes.
Rayo negativo de nube a tierra
La descarga comienza cuando se rompe por primera vez la capacidad aislante del aire. Esto ocurre desde la zona de cargas negativas dentro de la nube, a través de un canal por donde las cargas circulan libremente. La punta de la descarga se dirige hacia la concentración más pequeña de cargas positivas, en la base de la nube. Como resultado, una gran cantidad de electrones desciende por la nube, mientras el canal sigue expandiéndose hacia abajo, hacia el suelo. La punta del rayo avanza por etapas, de cincuenta metros cada cincuenta microsegundos. La punta del rayo suele dividirse en varias ramas y emite una luz muy débil con cada salto de descarga. En promedio, una carga de cinco culombios de cargas negativas se acumula de manera uniforme en el canal ionizado, y la corriente eléctrica es de unos cien amperios.
Los electrones inducen una acumulación de cargas opuestas en la región justo debajo de la nube. Desde el momento en que empiezan a dirigirse hacia el suelo, las cargas positivas tienden a ser atraídas y a agruparse en los extremos de los objetos en tierra. Desde esos puntos, el aire se ioniza, haciendo aparecer caminos ascendentes similares, que van al encuentro del primer camino descendente.
Al tocar el suelo o un objeto en tierra, los electrones empiezan a moverse mucho más rápido, produciendo una luz muy intensa entre la nube y el punto de contacto. A medida que los electrones y las ramas ganan velocidad y se mueven hacia el suelo, todo el camino ionizado se ilumina. Toda la carga negativa, incluida la de la nube, se disipa en el suelo en un flujo que dura unos pocos microsegundos. En ese corto tiempo, la temperatura dentro del camino alcanza más de treinta mil grados Celsius.
Por lo general, ocurren tres o cuatro descargas en promedio en el mismo rayo, llamadas descargas de retorno posteriores, separadas por un intervalo de unos cincuenta milisegundos. Si la nube aún tiene cargas negativas, aparece una nueva descarga que se mueve más rápido que la inicial, ya que sigue el camino ionizado ya abierto, llegando al suelo en pocos milisegundos. Sin embargo, la cantidad de electrones en las descargas de retorno posteriores suele ser menor que en la primera. Mientras que la corriente de la descarga inicial es típicamente de unos 30 kiloamperios (kA), las descargas posteriores tienen una corriente de entre 10 y 15 kA. En promedio, se transfieren treinta culombios de la nube al suelo. Es posible observar un rayo principalmente gracias a las diversas descargas de retorno. En general, la duración promedio de todo este proceso es de 0.20 segundos.
Rayo positivo de nube a tierra
Los rayos no siempre vienen de zonas con carga negativa en una nube. A veces, las descargas eléctricas se producen en la parte superior de los grandes cumulonimbus, cuya forma superior se extiende horizontalmente. Aunque son poco comunes, los rayos positivos tienen algunas características especiales. Al principio, el canal que los precede es uniforme, a diferencia de los rayos negativos. Cuando se establece el contacto, solo hay una descarga de retorno, pero su pico de corriente supera los 200 kiloamperios, un valor mucho mayor que el de los rayos negativos. Este proceso suele durar unos milisegundos. Este tipo de rayo tiene un potencial de destrucción mucho mayor que los negativos, especialmente para edificios industriales, debido a la gran carga que transporta.
Rayo intranuboso
La mayoría de los rayos ocurren dentro de las nubes. Un canal que precede a la descarga aparece en el centro negativo de la parte inferior de la nube y sube, donde suelen concentrarse las cargas positivas. Con una duración típica de 0.2 segundos, estas descargas tienen una luminosidad casi continua, marcada por pulsos que se atribuyen a las descargas de retorno que ocurren entre las "bolsas" de carga. La carga total transferida en este tipo de descarga es similar a la de los rayos de nube a tierra.
La descarga comienza con el movimiento de las cargas negativas que forman un canal precursor en dirección vertical. Este canal se desarrolla en 10 a 20 milisegundos y puede alcanzar varios kilómetros de longitud. Cuando llega a la cima de la nube, este canal se divide en ramas horizontales, desde las cuales se produce la transferencia de electrones desde la base de la nube. Alrededor del inicio del canal de descarga, las cargas negativas se mueven en su dirección, extendiendo las ramas en la base de la nube y aumentando la duración de la descarga. El rayo termina cuando se rompe la conexión principal entre las partes inferior y superior de la nube.
Rayo de tierra a nube
Desde estructuras elevadas y cimas de montañas, pueden aparecer canales que preceden a la descarga y seguir una dirección vertical hacia la nube. Así, las cargas negativas almacenadas en la nube fluyen hacia el suelo o, más raramente, los electrones fluyen hacia la nube. Por lo general, el canal precursor emerge de un solo punto, desde el que se ramifica verticalmente hacia la nube. Su aparición está ligada principalmente a estructuras metálicas, como edificios y torres de comunicación, que superan los cien metros de altura. Sus extremos pueden potenciar el campo eléctrico inducido e iniciar una descarga precursora. Cuando se establece la conexión, las emisiones de retorno se producen de forma similar a las emisiones negativas de las nubes al suelo.
Tipos de rayos observados
Algunos tipos de rayos han recibido nombres, ya sea por la gente común o científicamente:
- Rayo rastreador de yunque (Anvil crawler lightning): A veces llamado rayo araña, se forma cuando los "líderes" (los primeros caminos del rayo) se extienden por grandes áreas de carga horizontales en tormentas maduras. Si el líder se alarga demasiado, puede dividirse. Cuando esto sucede, el extremo positivo del líder separado puede golpear el suelo como un rayo positivo de nube a tierra o arrastrarse por la parte inferior de la nube, creando un espectáculo de relámpagos que se mueven por el cielo.
- Rayo globular (Ball lightning): También conocido como rayo esférico o centella, es un fenómeno eléctrico atmosférico cuya naturaleza física aún se discute. Se refiere a objetos luminosos, generalmente esféricos, que varían de tamaño desde un guisante hasta varios metros. A veces se asocia con tormentas, pero a diferencia de los rayos normales que duran una fracción de segundo, los rayos globulares pueden durar muchos segundos.
- Rayo de cuentas (Bead lightning): También conocido como rayo perlado, es la etapa final de un canal de rayo donde la luz se divide en segmentos. Casi todos los rayos muestran esta formación de "cuentas" cuando el canal se enfría justo después de un golpe de retorno.
- Rayo nube a aire (Cloud-to-air lightning): Es un rayo en el que un extremo de un líder sale de la nube, pero no llega a tocar el suelo. A veces, estos destellos se consideran rayos a tierra fallidos. Los chorros azules y los chorros gigantes son una forma de rayo de nube a aire que se lanza desde lo alto de una tormenta.
- Rayo seco (Dry lightning): Es el nombre que se usa en algunos países para los rayos que ocurren sin lluvia en la superficie. Este tipo de rayo es la causa natural más común de incendios forestales.
- Rayo bifurcado (Forked lightning): Es un rayo de nube a tierra que muestra ramificaciones en su camino.
- Rayo de calor (Heat lightning): Es un rayo que parece no producir un trueno audible porque ocurre demasiado lejos para que el sonido llegue al observador.
- Rayo de cinta (Ribbon lightning): Ocurre en tormentas con vientos cruzados fuertes y múltiples golpes de retorno. El viento desplaza ligeramente la trayectoria del rayo con cada golpe, creando un efecto de cinta.
- Rayo cohete (Rocket lightning): Es una forma de descarga de nubes, generalmente horizontal y en la base de las nubes, con un canal luminoso que parece avanzar por el aire a una velocidad que se puede ver, a menudo de forma intermitente.
- Rayo de hoja (Sheet lightning): Es un rayo entre nubes que muestra un brillo difuso en la superficie de una nube. Esto ocurre porque el camino real de la descarga está oculto o demasiado lejos. El rayo en sí no se ve, solo aparece como un destello o una "hoja" de luz.
- Rayo de canal suave (Smooth channel lightning): Es un término informal para un tipo de rayo de nube a tierra que no tiene ramas visibles y aparece como una línea con curvas suaves, a diferencia de la apariencia irregular de la mayoría de los rayos.
- Rayo staccato (Staccato lightning): Es un rayo de nube a tierra de corta duración que (a menudo) aparece como un único destello muy brillante y con muchas ramas.
- Superbolts: Son rayos con una energía muy alta, más de 100 gigajulios (la mayoría de los rayos tienen alrededor de 1 gigajulio). Son eventos raros, pero no son un tipo de rayo completamente diferente, sino el extremo superior de la energía que puede tener un rayo.
- Rayo simpático (Sympathetic lightning): Es la tendencia de los rayos a coordinarse a distancia. Las descargas pueden aparecer en grupos cuando se ven desde el espacio.
- Rayo ascendente (Upward lightning) o rayo de tierra a nube (ground-to-cloud lightning): Es un rayo que se origina en la parte superior de un objeto conectado a tierra y se propaga hacia arriba desde ese punto.
- Rayo de cielo despejado (Clear-air lightning): Son relámpagos que ocurren sin que haya una nube visible lo suficientemente cerca como para haberlos producido. A veces, la tormenta está en un valle cercano y no se ve ni se oye. Estos rayos suelen empezar como rayos normales entre nubes antes de que el "líder" negativo salga de la nube y golpee el suelo a una distancia considerable.
Rayos artificiales
Los rayos artificiales se pueden crear usando pequeños cohetes que, al subir, llevan un hilo metálico delgado conectado al suelo. A medida que el cohete asciende, el hilo se desenrolla hasta que, en las condiciones adecuadas, se produce una descarga eléctrica que pasa por el hilo hasta el suelo. El hilo se evapora al instante, pero el camino que sigue la corriente eléctrica es generalmente recto gracias al rastro de átomos ionizados que deja el hilo. También es posible crear rayos usando haces de láser, que forman filamentos de plasma por cortos momentos, permitiendo que las cargas eléctricas fluyan y generen una descarga.
Particularidades de los rayos
Los rayos suelen ser muy intensos y brillantes, a veces produciendo un efecto estroboscópico (como una luz parpadeante). La luz de un rayo se puede ver a varias decenas de kilómetros de distancia. Este fenómeno se llama "relámpago de calor" porque generalmente se asocia con las tormentas de verano. Cuando un rayo ocurre dentro de una nube, puede iluminarla por completo, iluminando también el cielo.
Las descargas intranubosas pueden manifestarse como canales muy ramificados que se extienden horizontalmente en las partes más altas de la nube, cubriendo una gran área. Los rayos que se distribuyen horizontalmente suelen parecer moverse más lentamente de lo normal. En los rayos de nube a tierra, es posible que se formen relámpagos con forma de cinta. Esto se debe a los fuertes vientos que pueden mover el canal ionizado. En cada descarga, el rayo parece moverse de lado, formando segmentos paralelos.
Los rayos positivos, al originarse en la parte más alta del cumulus, pueden extenderse más allá de la zona de la tormenta, hacia un área donde el clima es estable, a kilómetros de distancia. El canal de este tipo de rayos puede desplazarse horizontalmente por varios kilómetros antes de dirigirse de repente hacia el suelo.
Las descargas de todo tipo dejan un canal de aire ionizado extremadamente caliente por donde pasan. Al cortarse el flujo de cargas eléctricas, el canal restante se enfría rápidamente y se descompone en varias partes más pequeñas, creando una secuencia de puntos luminosos que desaparecen rápidamente. Los segmentos se forman porque el canal no tiene un grosor constante en toda su longitud y las partes más gruesas tardan más en enfriarse. Este fenómeno es muy difícil de observar, porque todo el proceso dura solo una pequeña fracción de segundo.
También se ha informado de un fenómeno llamado rayo globular. Este tiene un diámetro promedio de entre veinte y cincuenta centímetros, parece aparecer en tormentas, tiene un brillo menos intenso que otros rayos y generalmente se mueve horizontalmente en una dirección aleatoria. Este fenómeno dura solo unos segundos. Todavía hay muchas dudas sobre su existencia, la cual aún no ha sido probada, aunque existen muchos testimonios históricos, algunos reportan haberlo visto dentro de edificios.
Otros orígenes de los rayos
Además de las tormentas, la actividad volcánica crea condiciones para que ocurran rayos de muchas formas. La enorme cantidad de material pulverizado y gases que salen explosivamente a la atmósfera forma una columna densa de partículas. La densidad de las cenizas y el movimiento constante dentro de la columna volcánica producen cargas por fricción, lo que causa destellos muy potentes y frecuentes cuando la nube intenta neutralizarse. La cantidad de actividad eléctrica depende directamente del tamaño de la nube de cenizas, y esta a su vez depende de la fuerza de la erupción. Debido a la gran cantidad de material sólido (cenizas), y a diferencia de las zonas generadoras de cargas ricas en agua de una tormenta normal, a menudo se le llama tormenta sucia o tormenta volcánica. Generalmente, estos rayos se quedan dentro de la nube y pocos llegan a zonas más lejanas. Sin embargo, son una fuente importante de interferencia en las transmisiones de radio y a veces causan incendios forestales. También hay rayos que provienen de nubes de humo de grandes incendios.
- Se han visto destellos potentes y frecuentes en la columna volcánica desde la erupción del Vesubio en el 79, según lo contó Plinio el Joven.
- Los vapores y cenizas que salen de las aberturas en los lados del volcán pueden producir destellos más pequeños y localizados de más de 2.9 kilómetros de largo.
- Chispas pequeñas y de corta duración, documentadas recientemente cerca del magma recién salido, demuestran que el material está muy cargado incluso antes de entrar a la atmósfera.
Grandes explosiones de energía pueden provocar descargas eléctricas. Estos fenómenos suelen ocurrir por la transferencia de electrones del suelo hacia la atmósfera, formando canales ionizados de varios kilómetros de longitud. No se sabe el origen exacto del fenómeno, pero es posible que la emisión radiactiva de la explosión juegue algún papel.
Las tormentas de arena también son fuentes de rayos. Estos pueden provenir de la colisión entre las partículas de arena que, al chocar, acumulan cargas y generan descargas. Los incendios forestales muy intensos, como los de la temporada de incendios forestales de Australia 2019-2020, pueden crear sus propios sistemas meteorológicos que producen rayos y otros fenómenos. El calor intenso de un incendio hace que el aire suba rápidamente dentro de la columna de humo, formando nubes de pirocumulonimbos en una atmósfera inestable. Este aire turbulento y ascendente atrae aire más frío, lo que ayuda a enfriar la columna. La pluma ascendente se enfría aún más por la menor presión atmosférica a gran altura, lo que permite que la humedad se condense en nubes. Estos sistemas climáticos pueden producir rayos secos, tornados de fuego, vientos fuertes y granizo sucio.
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Descargas en el volcán Galunggung, en Indonesia
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El material volcánico que se eleva hacia la atmósfera puede provocar rayos (erupción de 1994 del monte Rinjani)
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Rayos en el volcán Taal
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Fenómenos relacionados con los rayos
Los rayos producen radiaciones electromagnéticas de diferentes frecuencias, especialmente luz visible, ondas de radio y radiación de alta energía. Estas radiaciones son características del rayo. El aumento de temperatura en el canal del rayo, por otro lado, produce ondas sonoras que forman el trueno. La variación del campo eléctrico de la descarga también causa otros tipos de fenómenos temporales en la atmósfera superior. En general, los rayos ocurren en mayor cantidad durante las tormentas. Cuando un rayo cae directamente sobre suelo arenoso, la inmensa temperatura derrite sus partículas. Una vez que la corriente se corta, estas se funden y forman una fulgurita, cuya forma corresponde al camino del rayo en el suelo.
El trueno
Las ondas sonoras causadas por un rayo se conocen como trueno. Se producen por la rápida expansión del aire debido al calentamiento extremo del canal de la descarga. La frecuencia varía entre unos pocos hercios y unos pocos kilohercios. El tiempo entre ver el rayo y oír el trueno se debe a que la luz viaja mucho más rápido que el sonido, que tiene una velocidad de 340 metros por segundo.
Cuando un rayo cae a menos de cien metros de una persona, el trueno se escucha como una onda sonora repentina y muy fuerte que dura menos de dos segundos, seguida de una fuerte explosión que dura varios segundos hasta que se disipa. La duración del trueno depende de la forma del rayo, y las ondas sonoras se propagan en todas direcciones desde todo el canal. Esto crea una gran diferencia entre la parte más cercana y la más lejana al oyente. Como la atmósfera debilita las ondas sonoras, el trueno de los rayos que ocurren a grandes distancias se vuelve inaudible a medida que viaja unos kilómetros y pierde energía. Además, el hecho de que las tormentas ocurran en zonas de inestabilidad atmosférica favorece la disipación de la energía sonora.
Radiación de alta energía
Los rayos producen radiaciones en una amplia variedad de rangos del espectro electromagnético, desde frecuencias muy bajas hasta rayos X y rayos gamma, incluyendo la luz visible. Los rayos X y gamma son de alta energía y resultan de la aceleración de los electrones en un campo eléctrico intenso durante la descarga. La atmósfera los debilita, por lo que los rayos X se limitan a las cercanías del rayo. Los rayos gamma, aunque su intensidad se reduce mucho con la distancia, pueden detectarse tanto desde el suelo como desde satélites artificiales. Las tormentas suelen estar asociadas con la aparición de destellos de rayos gamma en la atmósfera superior de la Tierra. Algunos satélites, como AGILE, monitorean la aparición de este fenómeno, que ocurre decenas de veces al año.
Los modelos sugieren que puede producirse un tipo de descarga especial dentro de las tormentas. En ella, interactúan electrones de alta energía con su antimateria correspondiente, los positrones. Este proceso lleva a la producción de partículas más energéticas que finalmente causan explosiones de rayos gamma. Estas descargas son extremadamente rápidas, más rápidas que los propios rayos, y a pesar de la gran cantidad de energía involucrada, emiten poca luz. Es posible que los aviones que vuelan cerca de las tormentas reciban grandes dosis de radiación, aunque aún no hay resultados definitivos.
Colores y longitudes de onda
A lo largo del camino que recorre, la descarga sobrecalienta los gases de la atmósfera y los ioniza (la temperatura puede ser cinco veces la de la superficie del sol, o 30000 K). Se forma un plasma conductor que provoca la emisión repentina de luz observable. El color de ese rayo depende de varios factores: la densidad de corriente, la distancia del observador al rayo y la presencia de diferentes partículas en la atmósfera. En general, el color percibido de un rayo es blanco en aire seco, amarillo si hay mucho polvo, rojo si hay lluvia y azul si hay granizo.
La percepción del color blanco del rayo también está relacionada con el conjunto de las longitudes de onda de los diferentes elementos presentes en el aire electrificado. La presencia en la atmósfera de oxígeno y de nitrógeno contribuye a longitudes de onda que corresponden al verde (508 a 525 nm) y al amarillo-naranja (599 nm) para el oxígeno; y al azul (420 a 463 nm) y rojo (685 nm) para el nitrógeno.
Interferencias de radio
La descarga eléctrica no se limita a las longitudes de onda visibles. Se refleja en un amplio rango de las radiaciones electromagnéticas que incluye las ondas de radio. Como estas emisiones son aleatorias, se les llama "parásitos atmosféricos". Las ondas creadas propagan un ruido blanco que se superpone a las señales de telecomunicaciones, sonando como un crujido para un oyente. Estos parásitos van desde las bajas frecuencias hasta las bandas de UHF.
Resonancias Schumann
Entre la superficie de la Tierra y la ionosfera, a una altitud de unas pocas decenas de kilómetros, se forma una cavidad. Dentro de ella, quedan atrapadas las radiaciones electromagnéticas de frecuencia extremadamente baja o ELF (del orden de unos pocos hercios). Como resultado, los rayos circulan varias veces alrededor de la Tierra hasta que se disipan. En este rango de frecuencias, los rayos producen radiaciones, por lo que son las principales fuentes para el mantenimiento de este fenómeno llamado "resonancias de Schumann". La superposición de las radiaciones emitidas en cualquier momento y las resonancias resultantes producen picos de radiación que pueden medirse. Monitorear la resonancia Schumann es un método importante para vigilar la actividad eléctrica del planeta relacionada con las tormentas y, por lo tanto, puede usarse para analizar el clima global.
Fenómenos luminosos transitorios
En la alta atmósfera terrestre, por encima de las nubes de tormenta, se producen algunas emisiones especiales con características diversas. Se les llama en conjunto fenómenos luminosos transitorios. Aunque se extienden decenas de kilómetros en la estratosfera y la mesosfera, es casi imposible verlos a simple vista, principalmente porque son poco luminosos. Sin embargo, las cámaras instaladas en aviones, satélites o incluso en tierra (apuntadas a tormentas cercanas al horizonte) pueden demostrar la existencia de estos fenómenos. Su origen se atribuye a la excitación de la electricidad por el cambio del campo eléctrico, especialmente cuando ocurre un rayo de nube a tierra.
Entre los fenómenos transitorios más notables están los espectros, que aparecen justo encima de los grandes rayos durante una tormenta. Suelen mostrar colores rojizos y formas cilíndricas que parecen tentáculos. Los chorros azules, a su vez, aparecen en la parte superior de las grandes nubes de tormenta y se extienden verticalmente hasta unos cincuenta kilómetros de altura. Ambos duran un máximo de unos pocos milisegundos. Finalmente, los elfos (por ELVES, acrónimo en inglés de Emission of Light and Very low-frequency perturbations from Electromagnetic pulse Sources) tienen forma de disco y duran unos pocos milisegundos. Su origen puede deberse a la propagación de un pulso electromagnético generado en el momento de las descargas en la nube de abajo.
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Un rayo en una nube sobre Birmania visto desde la Estación Espacial Internacional. Justo encima de la nube hay un farfadet, en rojo.
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Primera imagen en color de un espectro (NASA/Universidad de Alaska, 1994): el color rojo proviene de las emisiones de nitrógeno fluorescente excitadas por un rayo.
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Espectros sobre Antibes, Francia
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Chorros azules en la cima del Mauna Kea, Hawaii.
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Dónde y cuándo ocurren los rayos
Frecuencia de los rayos
Gracias a las observaciones por satélite, podemos estimar cómo se distribuyen los rayos en el mundo y ver que no lo hacen de manera uniforme. La frecuencia de los relámpagos es de aproximadamente 44 (± 5) veces por segundo, o casi 1.400 millones de destellos al año. La duración promedio es de 0.2 segundos, compuesta por destellos mucho más cortos (golpes) de unos 60 a 70 microsegundos. Muchos factores afectan la frecuencia, distribución, potencia y propiedades físicas de un rayo en una región específica: la altitud del terreno, la latitud, los vientos dominantes, la humedad y la cercanía a cuerpos de agua cálidos y fríos. Esto ocurre tanto por la mezcla de masas de aire más cálidas y frías, como por las diferencias en las concentraciones de humedad, y generalmente sucede en los límites entre ellas. El flujo de corrientes oceánicas cálidas que atraviesan masas de tierra más secas, como la corriente del Golfo, explica en parte la alta frecuencia de rayos en el sureste de los Estados Unidos. Como los grandes cuerpos de agua no tienen la variación del terreno que causaría la mezcla atmosférica, los rayos son mucho menos frecuentes en los océanos del mundo que en la tierra. Los polos norte y sur tienen pocas tormentas eléctricas y, por lo tanto, son las áreas con menos rayos.
Como los humanos vivimos en la Tierra y la mayoría de nuestras pertenencias están aquí, donde los rayos pueden dañarlas o destruirlas, los rayos de nube a tierra son los más estudiados y comprendidos. Sin embargo, los rayos intranube e internubes son los tipos más comunes (los de nube a tierra representan solo el 25% del total de rayos en el mundo; esta proporción también varía según la estación en latitudes medias). La relativa imprevisibilidad del rayo limita una explicación completa de cómo o por qué ocurre, incluso después de cientos de años de investigación científica. Aproximadamente el 70% de los rayos ocurren sobre la tierra en los trópicos, donde la convección atmosférica es mayor.
De esos rayos, más del 90% se distribuyen sobre las tierras emergidas. Los datos de los instrumentos muestran que la mayoría de los rayos ocurren en las regiones tropicales y subtropicales, principalmente en África central, Asia meridional y suroriental, en el centro de América del Sur y en los Estados Unidos. La cuenca del Congo tiene una gran cantidad de rayos en varios lugares, especialmente en Ruanda, donde la densidad de las descargas supera los 80 casos por kilómetro cuadrado al año, la más alta del mundo. El lugar específico donde ocurren rayos con mayor frecuencia es cerca de la pequeña aldea de Kifuka en las montañas del este de la República Democrática del Congo, donde la altitud es de unos 975 metros. En promedio, esta región recibe 158 descargas por kilómetro cuadrado al año. El lago de Maracaibo, en Venezuela, tiene un promedio de 297 días al año con actividad de rayos, un efecto conocido como relámpago del Catatumbo. Otros lugares con muchos rayos son Singapur y Lightning Alley en Florida central.
Las construcciones altas suelen recibir más rayos. Por ejemplo, el Empire State Building en Nueva York es golpeado unas veinte veces al año, y más de la mitad son rayos de tierra a nube. La estatua del Cristo Redentor en Río de Janeiro recibe un promedio de seis rayos al año. En las regiones polares del Norte y del Sur, en cambio, los rayos son casi inexistentes.
Debido a que la carga concentrada dentro de la nube debe superar las propiedades aislantes del aire, y esta aumenta proporcionalmente a la distancia entre la nube y el suelo, la proporción de impactos de nube a tierra (frente a intranube e internube) aumenta cuando la nube está más cerca del suelo. En los trópicos, donde el nivel de congelación suele ser más alto en la atmósfera, solo el 10% de los relámpagos son de nube a tierra. En la latitud de Noruega (alrededor de 60°N), donde la altitud de congelación es menor, el 50% de los rayos son de nube a tierra. Los relámpagos suelen ser producidos por nubes cumulonimbus, que tienen sus bases típicamente a 1-2 kilómetros del suelo y que alcanzan una altura de hasta 15 kilómetros.
La aparición del rayo está directamente relacionada con los sistemas convectivos que, en el punto más alto de su actividad, pueden producir más de un rayo por segundo. Las tormentas que presentan complejos convectivos de mesoescala, como los ciclones tropicales y los huracanes, alcanzan niveles extremos de descargas eléctricas, con un pico de más de un rayo de nube a tierra por segundo. La formación de tormentas supercelulares también tiene una fuerte relación con la aparición de rayos positivos, con más de treinta ocurrencias por hora. La relación entre la cantidad de rayos en una tormenta supercelular y la formación de tornados aún no está clara. También es importante destacar que los rayos de nube a tierra pueden ocurrir exactamente debajo de donde la nube muestra su altitud máxima, aunque esa relación aún no se ha confirmado para todos los tipos de tormentas, especialmente las que ocurren sobre el océano. Aunque los rayos siempre se asocian con tormentas eléctricas, y estas producen lluvia, la relación directa entre los dos fenómenos no se conoce del todo. En las regiones tropicales, la actividad eléctrica se concentra principalmente durante los meses de verano.
Es posible que el calentamiento global esté causando un aumento en la cantidad de rayos en todo el mundo. Sin embargo, las predicciones varían entre un aumento del 5% y un 40% por cada grado Celsius de aumento promedio de la temperatura atmosférica.
Un modelo matemático desarrollado por Marcia Baker, Hugh Christian y John Latham permite estimar la frecuencia de los rayos, representada por la letra 
. Según el modelo, esto es proporcional a la reflectividad radar 
y la amplitud del movimiento ascendente 
, y también depende de la concentración de cristales de hielo y de granos de hielo en la nube. En algunos casos, la frecuencia de los rayos también es proporcional a la potencia de un número elevado de la velocidad de los movimientos ascendentes del aire 
. La potencia considerada es generalmente seis, es decir 
. Según otro modelo, válido para tormentas tropicales, la frecuencia de los rayos es proporcional a la potencia de cinco de la profundidad del frente frío. La profundidad del frente frío, que representa la diferencia entre la altitud de la cima de la tormenta tropical y la del punto donde está a 0 °C, es a su vez proporcional a la tasa de carga y a la electricidad estática almacenada en las nubes convectivas.
Récords de rayos
El 25 de junio de 2020, la Organización Meteorológica Mundial anunció dos récords de rayos: el más largo en distancia recorrida y el más largo en duración, llamados "megarrayos". El primero, en el estado de Rio Grande do Sul, en el sur de Brasil, recorrió 709 kilómetros en línea horizontal, cruzando el estado el 31 de octubre de 2018. Esto es más del doble del récord anterior, registrado en el estado de Oklahoma, en Estados Unidos, con 321 kilómetros (y una duración de 5.7 segundos). El rayo de mayor duración, de 16.73 segundos, ocurrió en Argentina, a partir de una descarga que se inició en el norte del país el 4 de marzo de 2019. Este también fue más del doble del récord anterior, que era de 7.74 segundos, registrado en Provenza-Alpes-Costa Azul, Francia, el 30 de agosto de 2012.
Roy Sullivan, un guardabosques en el parque nacional Shenandoah, tiene el récord de haber sido alcanzado por rayos más veces. Entre 1942 y 1977, Sullivan fue golpeado por un rayo siete veces y sobrevivió a todas ellas.
Detección y seguimiento de rayos
La técnica más antigua para analizar los rayos, usada desde 1870, es la espectroscopia. Consiste en descomponer la luz en diferentes frecuencias. Este método permitió determinar la temperatura dentro de un relámpago, así como la densidad de los electrones en el canal ionizado. También existen sistemas de dispositivos, usados desde 1920, que detectan la radiación electromagnética del rayo. Esto permite determinar su ubicación, intensidad y forma. Los aparatos que pueden medir directamente la corriente eléctrica se instalan generalmente en lugares con muchos rayos, como edificios altos y cimas de montañas.
El uso de cámaras permitió el análisis sistemático de las etapas de un rayo. Como los rayos duran muy poco, las cámaras de alta velocidad son esenciales para detectar los momentos en que las cargas rompen la rigidez dieléctrica del aire y transfieren las cargas eléctricas entre dos regiones, especialmente al comparar las imágenes con la variación del campo electromagnético. En estructuras altas, como edificios y torres de comunicación, se instalan sensores para evaluar directamente la cantidad de cargas que las atraviesan durante una tormenta. Para monitorear las emisiones en un área grande, se han creado redes de sensores instaladas estratégicamente para detectar con precisión la ubicación de las ondas electromagnéticas que emanan de las descargas. Sin embargo, solo con el lanzamiento de satélites capaces de contar todas las descargas a nivel global, fue posible obtener la verdadera dimensión de la actividad eléctrica del planeta.
Los dispositivos enviados al interior de las nubes proporcionan datos importantes sobre la distribución de carga de una nube. Los globos sonda, los pequeños cohetes y los aviones equipados se lanzan a propósito en las tormentas eléctricas y son alcanzados decenas de veces por los rayos.
También hay sistemas de detección en el suelo. El molino de campo es un instrumento que mide el campo eléctrico estático. En meteorología, este instrumento permite, al analizar el campo electrostático sobre él, señalar la presencia de una nube cargada eléctricamente, lo que indica que un rayo es inminente. También hay redes de antenas receptoras que captan una señal de radio generada por la descarga. Cada una de estas antenas mide la intensidad del rayo y su dirección. Por triangulación de las direcciones tomadas de todas las antenas, es posible saber la posición de la descarga.
Los sistemas móviles con una antena direccional pueden deducir la dirección e intensidad del rayo, así como su distancia, analizando la frecuencia y la atenuación de la amplitud de la señal. Los satélites artificiales en órbita geoestacionaria también pueden medir los relámpagos producidos por las tormentas que están en su campo de visión, buscando destellos de luz. Entre otros, las series de satélites GOES y Meteosat se encuentran aproximadamente a 36000 kilómetros de la Tierra. A esa distancia, el grosor de la atmósfera se puede ignorar y se puede deducir la posición en latitud y longitud directamente.
Las redes de detectores de rayos son usadas por servicios meteorológicos como el Servicio meteorológico de Canadá, Météo-France y el National Weather Service de Estados Unidos para vigilar las tormentas y avisar a la gente. Otros usuarios privados y del gobierno también las usan, incluyendo los servicios de prevención de incendios forestales, las empresas de transporte de electricidad, como Hydro-Québec, y las fábricas de explosivos.
Peligros y protecciones contra los rayos
Los rayos a menudo caen sobre el suelo, por lo que las infraestructuras sin protección pueden sufrir daños por las descargas eléctricas. La magnitud del daño depende mucho de las características del lugar donde cae el rayo, especialmente de su conductividad eléctrica, pero también de la intensidad de la corriente eléctrica y de la duración de la descarga. Las ondas sonoras generadas por los rayos suelen causar daños relativamente menores, como la rotura de cristales. Cuando un objeto es golpeado, la corriente eléctrica aumenta su temperatura enormemente, por lo que los materiales que pueden quemarse presentan un peligro de incendio.
Para las personas
No hay datos exactos sobre el número de muertes por rayos en todo el mundo, ya que muchos países no registran este tipo de accidentes. Sin embargo, la zona de mayor riesgo se encuentra entre los trópicos, donde viven aproximadamente cuatro mil millones de personas. En Brasil, 81 personas murieron por rayos en 2011, una cuarta parte de ellas en el norte del país. Según investigadores del INPE, el número de muertes está directamente relacionado con la falta de información de la población sobre cómo protegerse de los rayos. En la región sureste, por ejemplo, el número de víctimas ha disminuido, incluso con el aumento de rayos. En Brasil, la mayoría de los afectados están en el campo, se dedican a la agricultura y usan objetos metálicos como azadones y machetes. La segunda causa principal es estar cerca de vehículos metálicos y usar motocicletas o bicicletas durante una tormenta.
En caso de tormenta, la mejor forma de protegerse es buscar refugio. Las casas y edificios cerrados, especialmente los que tienen sistemas de protección contra rayos, son los más seguros. Los vehículos metálicos, como los automóviles y autobuses, ofrecen una protección razonable, pero sus ventanas deben estar cerradas y se debe evitar el contacto con elementos metálicos. Se recomienda no quedarse cerca de árboles solitarios, torres de metal, postes y cercas de metal para reducir las posibilidades de ser alcanzado por un rayo. Se aconseja encarecidamente, en situaciones de riesgo, no permanecer en campos abiertos, piscinas, lagos y en el océano. Dentro de los edificios, es mejor evitar usar cualquier aparato cuya superficie conductora se extienda al exterior, como equipos eléctricos y tuberías de agua.
Los rayos pueden dañar a las personas de varias maneras: por descarga directa a través del cuerpo, por la corriente causada por un rayo cercano o por el contacto con un objeto conductor alcanzado por un rayo. Los síntomas leves de un impacto de rayo incluyen confusión mental, sordera y ceguera temporales, y dolores musculares. En estos casos, la recuperación completa suele ser común. En casos de daños moderados, las víctimas pueden sufrir trastornos mentales, problemas de movimiento o quemaduras de primer y segundo grado. La recuperación es posible, pero es probable que queden secuelas, como confusión mental, dificultades psicomotoras y dolor crónico. Finalmente, los daños graves causados por los rayos provocan, entre otras cosas, paro cardíaco, daños cerebrales, quemaduras graves y sordera permanente. El paciente presenta, la mayoría de las veces, secuelas irreversibles que afectan principalmente al sistema nervioso. En promedio, una de cada cinco personas alcanzadas por un rayo muere.
También pueden aparecer en la piel de las víctimas de un rayo las rojizas figuras de Lichtenberg, con patrones en forma de helecho. Estas pueden durar horas o días. A veces se les llama flores del rayo, y se cree que son causadas por la rotura de vasos capilares bajo la piel debido al paso de la alta corriente eléctrica.
Para la aviación
Los riesgos en la aviación son menores, pero existen. Los aviones reaccionan a los rayos de la misma manera que una jaula de Faraday (la corriente fluye solo a través del fuselaje). Cuando un avión es alcanzado por un rayo, este generalmente entra por un punto afilado del avión, como la nariz, y sale por la cola. Puede suceder que la carlinga de la aeronave se queme o se derrita en los puntos de impacto del rayo, pero este daño no representa un riesgo para los pasajeros y a veces el choque ni siquiera se siente. Los planeadores, al ser más pequeños que los aviones tradicionales, pueden ser destruidos en pleno vuelo por un rayo.
Las partes con mayor riesgo son la electrónica de a bordo y los tanques de combustible del avión. La protección de estos últimos se hizo evidente después del vuelo 214 de Pan Am, que se estrelló en 1963 después de que un rayo creara una chispa en el tanque de combustible. Los tanques y la electrónica están protegidos por puesta a tierra asegurada por disipadores en el extremo del ala. Los rayos también pueden confundir a los pilotos de un avión. De hecho, durante el vuelo 6780 de Loganair, después de que la aeronave fuera alcanzada por un rayo, los pilotos ignoraron los modos de control que ya estaban activados, pensando que la descarga había dañado la electrónica. En realidad, la aeronave no sufrió ningún daño y los pilotos pasaron el resto del vuelo compensando los efectos del piloto automático, que seguía funcionando.
Para las redes eléctricas
Las líneas de alta tensión de la red eléctrica son vulnerables y ha habido muchos casos de apagones, siendo los más notables el apagón de Nueva York de 1977 y el apagón eléctrico de Brasil y Paraguay de 2009. Un rayo sobre una línea transmite picos de alta tensión a largas distancias, causando daños importantes a los dispositivos eléctricos y creando riesgos para los usuarios. Sin embargo, la mayor parte del daño a los equipos proviene de los efectos de la inducción electromagnética. En este caso, la descarga, al pasar por un conductor eléctrico cerca de un cable de transmisión, induce corrientes y voltajes de pico. La inducción electrostática del flujo de cargas al entrar en contacto con un rayo provoca chispas y picos de tensión que pueden ser peligrosos según las circunstancias. Los cables subterráneos también son propensos a la aparición de corrientes no deseadas. Los equipos de protección tienen como objetivo redirigir esas corrientes a tierra. El descargador de sobretensiones es uno de los equipos más utilizados. Está formado por una varilla metálica conectada a tierra que conduce el rayo con total seguridad hasta ella.
Aprovechamiento de la energía del rayo
Se ha intentado usar la energía del rayo desde finales de la década de 1980. En un solo destello, se descarga una energía eléctrica de aproximadamente 280 kWh. Esto equivale a aproximadamente 1 gigajulio (GJ), o la energía de unos 31 litros de gasolina. Sin embargo, menos de una décima parte de esta energía llega al suelo, y lo hace de forma esporádica en el espacio y el tiempo. Se ha propuesto usar la energía del rayo para producir hidrógeno a partir del agua, para generar electricidad usando agua calentada rápidamente por un rayo, o para captar una fracción segura de la energía mediante inductores colocados cerca.
En el verano de 2007, una empresa de energía renovable, Alternate Energy Holdings, probó un método para usar la energía del rayo. Compraron el diseño del sistema a Steve LeRoy, un inventor de Illinois, quien afirmó que un pequeño rayo artificial podía encender una bombilla de 60 vatios durante 20 minutos. El método implica una torre para captar la gran cantidad de energía y un condensador muy grande para almacenarla. Según Donald Gillispie, director ejecutivo de Alternate Energy Holdings, "no hemos podido hacer que funcione, [...] sin embargo, con suficiente tiempo y dinero, probablemente podríamos expandir el modelo [...]. No es magia negra, es solo matemáticas y ciencia, y podría convertirse en realidad".
Según Martin A. Uman, codirector del laboratorio de investigación de rayos de la Universidad de Florida y científico líder en rayos, poca energía llega al suelo. Se necesitarían docenas de "torres de rayos", comparables a las de Alternate Energy Holdings, para encender cinco bombillas de 100 vatios durante un año. Preguntado por The New York Times al respecto, dijo que la cantidad de energía en una tormenta eléctrica era comparable a la de una gran explosión, pero al mismo tiempo, intentar capturar la energía de la superficie de la Tierra era "sin esperanza". Además de la dificultad de almacenar tanta energía rápidamente, otro desafío importante era predecir cuándo y dónde ocurrirán las tormentas; incluso durante una tormenta es muy difícil predecir dónde caerá exactamente el rayo.
El rayo en la cultura
Origen y uso de la palabra
La palabra "rayo" viene del latín vulgar fulgura, que en latín clásico era fulmen, y significa 'relámpago'.
La expresión "el rayo nunca golpea dos veces [en el mismo lugar]" es similar a "una oportunidad única en la vida", es decir, algo que generalmente se considera improbable. Los rayos ocurren más y con más frecuencia en áreas específicas. Dado que varios factores alteran la probabilidad de que se produzcan impactos en un lugar determinado, los rayos repetidos tienen una probabilidad muy baja (pero no imposible). De manera similar, "un rayo de la nada" se refiere a algo totalmente inesperado, y "una persona alcanzada por un rayo" es una metáfora imaginativa o cómica para que alguien experimente una revelación repentina, impactante y única en la vida, 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 literalmente significan 'golpe de rayo'. Algunos idiomas europeos tienen una palabra diferente para el rayo que cae al suelo (a diferencia del rayo en general). El rayo es a menudo sinónimo de velocidad, de ahí la expresión "a la velocidad del rayo". Muchos personajes de películas o cómics llevan nombres o logotipos relacionados con el rayo para indicar su velocidad, como Rayo McQueen ("Lightning McQueen", en inglés) o varios superhéroes de las editoriales Marvel Comics y DC Comics.
El rayo en la mitología
Los pueblos antiguos crearon muchas historias mitológicas para explicar la aparición del rayo. En la religión del Antiguo Egipto, el dios Tifón lanza rayos sobre la tierra. En Mesopotamia, un documento del 2300 muestra a una diosa sobre una criatura alada que sostiene rayos en cada mano. También está frente al dios que controla el clima; este crea el trueno con un látigo. Los rayos también son la marca de la diosa de la mitología china Tien Mu, que es una de los cinco dignatarios del "Ministerio de las Tormentas", comandado por Tsu Law, el dios del trueno. En la India, los Vedas describen cómo Indra, el hijo del Paraíso y de la Tierra, llevaba el trueno en su carro. Es considerado el dios de las lluvias y los relámpagos y el rey de los Devas. El dios sintoísta Raijin, dios del rayo y el trueno, es representado como un demonio que golpea un tambor para crear un rayo.
Hacia el 700, los griegos comenzaron a usar en su arte símbolos de relámpagos inspirados en el Medio Oriente, atribuyéndolos principalmente a Zeus, el dios supremo de su mitología. Una historia antigua cuenta que cuando Zeus estaba en guerra contra Cronos y los Titanes, liberó a sus hermanos, Hades y Poseidón, junto con los cíclopes. A su vez, los cíclopes le dieron a Zeus el rayo como arma y se convirtió en su símbolo. En la Grecia antigua, cuando aparecía un rayo en el cielo, se veía como una señal de desaprobación de Zeus. La misma interpretación se hacía en la antigua Roma con respecto a Júpiter. En Roma, se creía que las ramas de laurel estaban "inmunizadas" contra la acción de los rayos, por lo que el emperador Tiberio usaba estas ramas para protegerse durante las tormentas.
En la religión nórdica antigua, se creía que el rayo era producido por el martillo mágico Mjöllnir que pertenecía al dios Thor. Perun, dios del trueno y el relámpago, es el dios supremo del panteón eslavo, y Pērkons/Perkūnas, dios del trueno báltico, es una de las deidades más importantes de su panteón. En la mitología finlandesa, Ukko (el Viejo) es el dios del trueno, del cielo y del clima, y la palabra finesa para el trueno es ukkonen.
En la religión incaica, Illapa es el dios del rayo, el trueno, el relámpago, la lluvia y la guerra. Aunque su principal poder era el rayo y sus elementos, Illapa tenía el control total del clima. Debido a sus facultades, Illapa era considerado el tercer dios más importante dentro del panteón incaico. Solo era superado por Wiracocha e Inti. Illapa es representado como un hombre imponente con vestiduras brillantes de oro y piedras preciosas que vivía en el mundo superior. Illapa llevaba una warak'a y una maqana de oro con las que producía los rayos. Otra representación de Illapa era la de un guerrero formado por estrellas en el mundo celestial. Illapa se manifestaba en el mundo terrenal como un puma o halcón.
En muchas otras culturas, el rayo también se ha visto como parte de una deidad o una deidad en sí mismo, como el dios azteca Tlaloc o el dios K en la religión maya.
Los buriatos, un pueblo que vivía cerca del lago Baikal al sur de Siberia, creían que su dios producía rayos arrojando piedras desde el cielo. Algunas tribus indígenas de América del Norte y de África creen que los rayos son producidos por un "pájaro del trueno" mágico, que lanza las nubes hacia la Tierra. En la religión tradicional de las tribus africanas bantú, como los baganda y banyoro de Uganda, los rayos son una señal de la ira de los dioses. Los baganda atribuyen específicamente el fenómeno del rayo al dios Kiwanuka, uno de los dioses entre los Lubaale, parte del trío principal de los dioses del mar o los lagos. Kiwanuka inicia incendios forestales, golpea árboles y otros edificios altos, y se establecen una serie de santuarios en las colinas, montañas y llanuras para mantenerse a su favor. También se sabe que el relámpago se invoca sobre los enemigos de uno al pronunciar ciertos cánticos, oraciones y hacer sacrificios.
En el judaísmo, al ver un rayo, se debe recitar la bendición "... el que hace actos de creación". El Talmud se refiere a la palabra hebrea para el cielo (Shamaim), como construido de fuego y agua (Esh Umaim), ya que el cielo es la fuente de la inexplicable mezcla de "fuego" y agua que se unen durante las tormentas de lluvia. Esto se menciona en varias oraciones, el Salmo 29, y se analiza en los escritos de la Cabalá.
En el Islam, el Corán dice: "Él es Quien te muestra el relámpago, el temor y la esperanza, y levanta las nubes. El trueno canta Su alabanza y (también) los ángeles por temor a Él. Él lanza el trueno y golpea a quien Él quiere". (Corán 13.12-13) y "¿No has visto cómo Dios hace que las nubes se muevan suavemente, luego las une, luego las convierte en una pila, y luego ves que sale la lluvia..." (Corán 24.43). El versículo anterior, después de mencionar las nubes y la lluvia, habla del granizo y los relámpagos: "... y Él envía granizo desde las montañas (nubes) en el cielo, y Él golpea con él a quien quiere, y lo aparta de quien quiere".
En el cristianismo, la segunda venida de Jesús se compara con un rayo. (Mateo 24:27, Lucas 17:24)
La ceraunoscopia es la adivinación mediante la observación de un rayo o al escuchar un trueno. Es un tipo de aeromancia.
El rayo en las artes
El rayo fue un motivo común en el diseño Art Deco, especialmente el diseño en zig-zag de finales de la década de 1920.
Algunos fotógrafos, conocidos como cazadores de tormentas, se han especializado en las fotos de rayos. Un museo dedicado al rayo funcionó entre 1996 y 2012 en el corazón del parque natural regional de los Volcanes de Auvernia. The Lightning Field es una obra del artista Walter De Maria creada en 1977, una pieza de land art que se encuentra en Nuevo México, Estados Unidos, y consta de varios postes de acero para que puedan ser alcanzados por los rayos.
Otras representaciones del rayo
Los rayos también se usan en los logotipos de varias marcas y asociaciones. Así, Opel y el movimiento europeo de ocupantes ilegales.
La banda de hard rock AC/DC también usa un rayo en su logotipo. El nombre del caballo purasangre más famoso de Australia, Phar Lap, viene de la palabra Zhuang común y thai para relámpago.
El rayo en heráldica (el arte de los escudos) se muestra como un zigzag con extremos sin punta. Este símbolo generalmente representa potencia y velocidad.
El rayo se usa para representar las capacidades de comunicación instantánea de los telégrafos y radios eléctricos. 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.
El símbolo de los peligros eléctricos suele ser un rayo. Esto está reconocido por varias normas. El símbolo Unicode para un rayo es "☇" (U+2607).
Rayos en otros planetas
Las descargas eléctricas en la atmósfera no son exclusivas de la Tierra. En varios otros planetas del Sistema Solar, ya se ha confirmado la existencia de rayos de intensidad variable. De estas observaciones se deduce que la probabilidad de que ocurran rayos está directamente relacionada con la presencia de agua en la atmósfera, aunque no es la única causa.
En Venus, se sospechaba la existencia de rayos debido a su atmósfera espesa, lo cual fue confirmado por la sonda Venus Express. En Marte ya se han detectado signos directos de la aparición de descargas eléctricas. Posiblemente sean causadas por las grandes tormentas de arena que ocurren en el planeta. Según los investigadores, la actividad eléctrica marciana tiene implicaciones importantes porque modifica la composición de la atmósfera, lo que afecta a la habitabilidad y a los preparativos de la exploración humana.
En Júpiter, varias misiones han permitido observar descargas eléctricas en las regiones ecuatoriales y polares. Las tormentas allí son causadas por convección, como en la Tierra. Los gases, incluido el vapor de agua, suben desde las profundidades del planeta, y las pequeñas partículas, al congelarse, rozan entre sí, generando así una carga electrostática que se descarga en forma de rayo. Como las tormentas de Júpiter son mucho más grandes e intensas que las terrestres, el rayo es mucho más potente. La intensidad es hasta diez veces mayor que cualquier rayo registrado en nuestro planeta. En Saturno, el rayo es mucho menos común. Sin embargo, la aparición de grandes sistemas tormentosos provoca descargas que superan diez mil veces la energía de los rayos terrestres. Por el contrario, en Titán, uno de sus satélites naturales, hasta la fecha no se ha registrado ninguna descarga eléctrica a pesar de tener una atmósfera espesa y activa.
Galería de imágenes
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Relámpago del Catatumbo, Zulia, Venezuela (fenómeno conocido como «la fábrica de ozono»). Este fenómeno es capaz de producir 2850 relámpagos por año, produciendo el 10 % de la capa de ozono del planeta.
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Véase también
En inglés: Lightning Facts for Kids
- Fulgurita, de vidrio natural
- Rayo globular
- Relámpago
- Pararrayos
- Relámpago del Catatumbo
- Tormenta
- Fuego de San Telmo
