¿Por qué los rayos zigzaguean? Por fin, una respuesta al misterio

Los rayos ocurren cuando se conectan a la tierra las nubes de tormenta con un potencial eléctrico de millones de voltios

Todos han visto un rayo y se han maravillado de su poder. Pero a pesar de su frecuencia (alrededor de 8,6 millones de rayos ocurren en todo el mundo todos los días), sigue siendo un misterio por qué los rayos proceden en una serie de pasos desde la nube de tormenta hasta la tierra.

Una nueva investigación del profesor de física de la Universidad de Australia del Sur, John Lowke, proporciona una explicación.

"Hay algunos libros de texto sobre rayos, pero ninguno ha explicado cómo se forman los zig-zags (llamados pasos o escalones), por qué la columna conductora de electricidad que conecta los escalones con la nube permanece oscura y cómo los rayos pueden viajar kilómetros", dice el Dr. Lowke.

Los intensos campos eléctricos en las nubes de tormenta excitan a los electrones para que tengan suficiente energía para crear lo que se conoce como "oxígeno molecular delta singlete". Estas moléculas y electrones se acumulan para crear un paso corto y altamente conductor, que se ilumina intensamente durante una millonésima de segundo.

Al final del paso, hay una pausa a medida que vuelve a ocurrir la acumulación, seguida de otro salto brillante y resplandeciente. El proceso se repite una y otra vez.

Un aumento en los eventos climáticos extremos significa que la protección contra rayos es cada vez más importante. Saber cómo se inicia un rayo significa que podemos descubrir cómo proteger mejor los edificios, los aviones y las personas. Además, si bien el uso de materiales compuestos ecológicos en las aeronaves está mejorando la eficiencia del combustible, estos materiales aumentan el riesgo de daños por rayos, por lo que debemos buscar protección adicional.

Imagen: Un aumento en la humedad y el calor atmosférico está provocando tormentas más intensas. Shutterstock

¿Qué conduce a un rayo?

Los rayos ocurren cuando se conectan a la tierra las nubes de tormenta con un potencial eléctrico de millones de voltios. Una corriente de miles de amperios fluye entre el suelo y el cielo, con una temperatura de decenas de miles de grados.

Las fotografías de rayos revelan una gran cantidad de detalles que no se observan a simple vista. Por lo general, hay cuatro o cinco débiles "líderes" que vienen de la nube. Estos son ramificados y zigzaguean en un camino irregular hacia la tierra.

El primero de estos líderes en llegar a la tierra inicia el rayo. Los otros líderes entonces se extinguen.

Hace cincuenta años, la fotografía de alta velocidad reveló una complejidad aún mayor. Los líderes avanzan hacia abajo desde la nube en "pasos" de unos 50 metros de largo. Cada paso se vuelve brillante durante una millonésima de segundo, pero luego hay una oscuridad casi total. Después de otras 50 millonésimas de segundo, se forma otro paso, al final del paso anterior, pero los pasos anteriores permanecen oscuros.

¿Por qué hay tales pasos? ¿Qué sucede en los períodos oscuros entre pasos? ¿Cómo se pueden conectar eléctricamente los escalones a la nube sin una conexión visible?

Las respuestas a estas preguntas radican en comprender qué sucede cuando un electrón energético golpea una molécula de oxígeno. Si el electrón tiene suficiente energía, excita a la molécula al estado delta singlete. Este es un estado "metaestable", lo que significa que no es perfectamente estable, pero por lo general no cae en un estado de menor energía durante aproximadamente 45 minutos.

El oxígeno en este estado delta singlete desprende electrones (necesarios para que fluya la electricidad) de los iones de oxígeno negativos. Luego, estos iones son reemplazados casi inmediatamente por electrones (que tienen una carga negativa) que se unen nuevamente a las moléculas de oxígeno. Cuando más del 1% del oxígeno en el aire está en estado metaestable, el aire puede conducir electricidad.

Entonces, los pasos del rayo ocurren cuando se crean suficientes estados metaestables para separar una cantidad significativa de electrones. Durante la parte oscura de un paso, la densidad de estados metaestables y de electrones aumenta. Después de 50 millonésimas de segundo, el escalón puede conducir electricidad, y el potencial eléctrico en la punta del escalón aumenta hasta aproximadamente el de la nube y produce un escalón más.

Las moléculas excitadas creadas en los pasos anteriores forman una columna hasta la nube. Toda la columna es entonces eléctricamente conductora, sin necesidad de un campo eléctrico y con poca emisión de luz.

Proteger a las personas y la propiedad

Imagen: Al hacer hervir el agua dentro de las estructuras, un rayo puede destrozar árboles y edificios. Shutterstock

La comprensión de la formación de rayos es importante para el diseño de la protección de edificios, aeronaves y también de personas. Si bien es raro que los rayos caigan sobre las personas ^[PDF], los edificios son golpeados muchas veces, especialmente los altos y aislados.

Cuando un rayo golpea un árbol, la savia dentro del árbol hierve y el vapor resultante crea presión, abriendo el tronco. De manera similar, cuando un rayo golpea la esquina de un edificio, hierve el agua de lluvia que se ha filtrado en el hormigón. La presión hace estallar toda la esquina del edificio, creando el riesgo de derrumbes mortales.

Un pararrayos inventado por Benjamin Franklin en 1752 es básicamente un alambre grueso para cercas sujeto a la parte superior de un edificio y conectado al suelo. Está diseñado para atraer rayos y poner a tierra la carga eléctrica. Al dirigir el flujo a través del cable, evita que el edificio sufra daños.

Estas varillas Franklin se requieren hoy en día para edificios altos e iglesias, pero el factor incierto es cuántas se necesitan en cada estructura.

Además, cientos de estructuras no están protegidas, incluidos los cobertizos de refugio en los parques. Estas estructuras a menudo están hechas de hierro galvanizado altamente conductivo, que a su vez atrae los rayos, y están sostenidas por postes de madera. La protección contra rayos recomienda que dichos refugios estén conectados a tierra.

La investigación se ha publicado en Journal of Physics D: Applied Physics: Toward a theory of "stepped-leaders" of lightning

El vídeo de cabecera se titula " The Science of Lightning": National Geographic explora la ciencia detrás de los rayos. Los rayos durante las tormentas eléctricas matan a más estadounidenses cada año que los tornados o los huracanes.