El plasma en las tormentas eléctricas

El electrodo natural
Visión clásica de las cargas eléctricas en una tormenta

Visión clásica de la acumulación de cargas eléctricas en una tormenta. Créditos: NOAA

La imagen anterior ilustra de manera consensuada la visión clásica actual acerca de la génesis de los rayos. Muestra electrones almacenándose como bolas en un recipiente y precipitándose aceleradamente por una especie de desagüe resbaladizo.

Un rayo típico nube-tierra necesita la presencia de mil millones de billones (1021) de electrones. ¿Se trata de electrones flotando aleatoriamente en las nubes, que repentinamente se van por el “desagüe”, tal como se representa en la imagen?

La idea consensuada actual es que la carga se va formando en la tormenta debido a la electricidad estática. La fricción y choque de las piedras de granizo con la lluvia dentro de la tormenta, genera una carga estática, lo mismo que ocurre al frotar un peine de plástico con el cabello.

Las partículas positivas y negativas generadas en dicha fricción se separan en capas, de acuerdo a la idea general. Las capas donde están “almacenadas” estas partículas están delimitadas por diferentes bordes térmicos. Se piensa que estos bordes térmicos entre capas mantienen separados los “depósitos de carga”, excepto cuando se produce una descarga de arco.

Anatomía de una super-célula eléctrica

La situación se describe bien en la siguiente representación de una súper célula tormentosa, en la que se muestran las capas estratificadas de carga eléctrica dentro de la nube.

Visión clásica de la distribución de cargas en una tormenta eléctrica

Visión clásica de la distribución de cargas en una tormenta eléctrica. Créditos: NOAA

Para ser coherente, diremos estratificadas y además capaces de generar suficiente carga como para la creación de un rayo de 8 km de longitud, de 1021 electrones. La densidad de carga requerida implica la presencia de plasma eléctrico, aunque de hecho es más que una implicación. ¿Cómo podría reunirse semejante cantidad de carga para originar tales arcos eléctricos? No existen cables en el cielo, ni electrodos de batería para generar un arco. Estos “almacenes” de carga deben ser plasmas.

Para que pueda comportarse como un plasma, sólamente necesita ionizarse el 1% del aire neutro. El nacimiento de los rayos requiere un plasma puesto que es éste el que formará el “electrodo” en el cielo. Consideremos el rayo y cómo, por qué y dónde se genera el plasma, que juega un papel tan importante en todo el proceso.

Cielo Eléctrico

Sabemos ya que la atmósfera de la Tierra se comporta como un enorme circuito eléctrico, que transporta carga, corriente eléctrica y voltaje.

El aire es un conductor débil con una corriente vertical y variable circulando entre el suelo y la ionosfera con una densidad entre 1 y 3 pico-amperios por metro cuadrado. La resistencia de la atmósfera es de 200 ohmios. El potencial de voltaje a “cielo abierto” varía entre 200.000 y 400.000 voltios entre la Tierra y la alta atmósfera.

En un momento dado puede haber alrededor de 2.000 tormentas eléctricas esparcidas por todo el planeta. Para crear rayos, el potencial de campo eléctrico debe sobrepasar la ruptura dieléctrica del aire, ¡3 millones de voltios por metro! Y así sucede, puesto que el campo eléctrico en una tormenta aumenta hasta los 300 millones de voltios.

Un rayo típico tiene una longitud entre 4,5 y 8 km y es capaz de descargar en el suelo, en un instante, unos 30.000 Amperios. La corriente colectiva de una tormenta típica entrega una intensidad entre 0,5 y 1 Amperio. El circuito se completa: una corriente global de la Tierra hacia el cielo y tormentas que la devuelven al suelo. 2.000 tormentas eléctricas concurrentes, cada una con 1,5 Amperio, significa una corriente global de aproximadamente 3.000 Amperios.

No sólamente lo anterior constituye la historia completa pues existe mucho más ciencia que no conocemos acerca de la circuitería terrestre. También existe una transferencia de carga eléctrica de la atmósfera al espacio y del espacio a la atmósfera.

La existencia de descargas de plasma desde las tormentas al espacio, denominadas duendecillos (“sprites”, en inglés), gnomos y elfos, por su apariencia etérea, es un descubrimiento científico relativamente reciente. Su origen, potencia y frecuencia de aparición están todavía lejos de ser bien comprendidas.

Descargas eléctricas en alta atmósfera

Representación de los rayos y otras descargas eléctricas en la alta atmósfera

Los rayos cósmicos entran en la atmósfera añadiendo continuamente carga eléctrica. La incidencia de viento solar a la Tierra fluctúa bastante, debido por una parte a que la corriente solar fluctúa y también por la variación del campo magnético de la Tierra. En ocasiones, el escudo protector que éste genera se mueve, dejando entrar más rayos cósmicos.

La electricidad fluye alrededor de la Tierra a través de corrientes de Birkeland, moldeadas por el campo magnético. La fluctuación de esas corrientes y las corrientes inducidas en la atmósfera y el suelo, son un campo de estudio con resultados poco concluyentes todavía. Debido a la variabilidad y al hecho de que su descubrimiento es relativamente reciente, la ciencia no comprende todavía cuánta corriente entra y sale del sistema atmosférico terrestre hacia el espacio.

El suelo también transporta un potencia variable. Excepto en la visión monocromática de los retornos sísmicos, no podemos ver lo que hay bajo la corteza terrestre para comprender cómo es el flujo de corriente eléctrica allí. Tampoco podemos saber cómo y por dónde la corriente de la Tierra entra en la atmósfera. Para la electricidad, una capa limítrofe, tal como es la corteza terrestre, no es una barrera impermeable sino un auténtico electrodo.

Existe una “cavidad” definida entre la superficie de la Tierra y el límite inferior de la ionosfera. Se ha calculado que en cualquier momento la carga total que reside en esta cavidad es de 500.000 Culombios. Las ondas electromagnéticas sufren una reflexión en el límite de esta cavidad -suelo e ionosfera- y se establecen unas ondas casi estacionarias en frecuencias resonantes. W.O. Schumann predijo en 1952 las propiedades resonantes de esta cavidad, siendo detectadas por primera vez en 1954. Fueron bautizadas como “Resonancia de Schumann” y se miden como impulsos electromagnéticos de gran ancho de banda en frecuencias en el rango de 5 Hz a 50 Hz.

La atmósfera es eléctrica, de manera innegable. No se trata de unos pocos iones flotando suavemente en el aire formando ocasionalmente “depósitos de carga”, sino que es un circuito eléctrico globalmente activo y coherente. ¿Qué nos dice esto en referencia a los rayos? ¿No debe también el plasma formar parte del mencionado sistema resonante coherente? ¿No sería esto una mejor alternativa a las “bolas en un recipiente” que mencionábamos al comienzo de este artículo?

Afortunadamente, existe un modelo a que podemos recurrir. Se llama Electrónica.

Se sabe ya que los arcos atmosféricos creados en un circuito ocurren debido a la emisión termoiónica. Todos hemos podido ver un arco catódico caliente, como por ejemplo un arco de soldadura, en el que los electrones son liberados de la superficie metálica del electrodo mediante calor. El metal es calentado por su propia resistencia a la corriente eléctrica y comienza a emitir electrones por encima de cierto umbral de temperatura, específica para ese material. Esa temperatura es de miles de grados para muchos materiales.

Otra forma de descarga eléctrica menos conocida es la “emisión de campo” o “emisiones de cátodo frío”. No genera electrones por emisión termoiónica. El electrodo solamente se calienta un poco, pero no es el calor lo que va a liberar los electrones, sino la fuerza del campo eléctrico -se aplica un alto potencial de voltaje que arranca electrones de cualquier material que esté presente, incluido el mismo aire. Cuando esto ocurre, el fuerte campo transforma la materia iónica en una estructura de plasma eléctrico, denominada corona. La corona es el electrodo en el cielo, que descarga los rayos.

La descarga coronal se utiliza en una amplia variedad de formas en la tecnología moderna. Requiere un alto voltaje, que es precisamente lo que se tiene en las tormentas eléctricas -300 millones de voltios, mil veces más que en un tiempo en calma.

La corona es el único fenómeno eléctrico que puede producirse en una descarga no termoiónica bajo condiciones atmosféricas. Es la fuerza conductora de la tormenta y de la generación de rayos.

La corona se produce en una capa perpendicular al campo eléctrico, donde éste arranca electrones de los átomos, enviándolos hacia abajo a una velocidad cercana a la de la luz a través del gradiente de campo, para chocar inevitablemente con otro átomo. Esta colisión arranca más electrones, que ahora están libres para seguir las líneas del potente campo eléctrico, chocando en cascada y dejando cada vez más iones detrás.

La región donde son arrancados los electrones es un pseudo plasma frío. Conforme más colisiones suceden, se incrementa la densidad de carga eléctrica, amplificando y dando forma al campo eléctrico que se auto organiza en una corona. Los “depósitos de carga” estratificados en la atmósfera no son depósitos de carga positiva o negativa como se ha descrito antes, sino coronas que muestran una polaridad positiva o negativa, compuestas de una sopa de iones y partículas neutras interactuando eléctricamente. Es Plasma eléctrico.

Creación del canal guía por el que circulará el rayo

Primera fase de la generación de un rayo. Se crea el canal guía

Los electrones libres continúan el proceso de colisión en lo que se denomina una avalancha, y queda representada en la imagen de la izquierda, con la formación de un canal guía. Constituye el proceso desencadenante de un rayo. El canal guía se produce en sucesivos pasos de 1 microsegundo  (millonésima parte de 1 segundo) y de entre 50 y 100 metros.

Sin embargo la avalancha es la mitad del proceso. El rayo sale de abajo, tanto como de arriba. El campo eléctrico también almacena iones positivos en el suelo bajo la tormenta. Las serpentinas iónicas, filamentos de aire cargado positivamente, estiran el campo eléctrico hacia las nubes.

El rayo se producirá cuando se juntan el canal guía en cascada y la serpentina, completando un canal de plasma. Nada de esto es visible a simple vista (por su extrema rapidez). Hasta este punto todo es corriente invisible

Visión real completa del proceso de la descarga del rayo

Visión real completa de la descarga del rayo, a cámara superlenta. Primero se forma el canal guía (de nube a tierra) e inmediatamente se produce la descarga (iones de tierra a nube). Sin plasma no sería posible.

El canal del rayo queda completo cuando la serpentina conecta con el suelo. La conexión permite una descarga de electrones de la corona hacia el suelo. Entonces, de golpe, por el canal suben de vuelta iones pesados y significativamente más lentos.

Este golpe se puede ver en la imagen como un brillante y potente flash, que se produce en el momento en que las primeras ramificaciones de la avalancha golpean el suelo, dejando únicamente un camino brillante tras el flash.

La corona proporciona reservas de carga y un mecanismo de corriente invisible que desencadena la avalancha requerida para generar el arco. Esto es precisamente lo que hasta ahora se desconocía en los procesos descritos y consensuados por la ciencia actual. La otra idea consensuada, que la carga estática se forma a partir de las colisiones y rozamiento del granizo, es también inadecuada.

Un estudio que utilizaba un interferómetro y radar Doppler para correlacionar los rayos con las corrientes de aire ascendentes y descendentes, mostró que el rayo se genera con vientos a baja presión alrededor de la célula central de la tormenta. En ellos el aire es cálido y húmedo. Cuando se organiza una tormenta y las corrientes ascendentes se aceleran, los rayos se intensifican de manera dramática.

Las corrientes ascendentes de aire no producen muchos rayos hasta que alcanzan una velocidad de entre 15 y 30 km/h. Es entonces, con vientos de entre 30 y 80 km/h, que la frecuencia de aparición de rayos pasa a ser de entre 5 y 20 por minuto. Con vientos superiores a 140 km/h, la tasa de rayos puede igualar y superar a 1 por segundo.

Sucesión de varios rayos en una gran tormenta eléctrica

Fotografía, de varios segundos de exposición, de una súper célula tormentosa sobre Catatumbo (Venezuela), considerado el lugar con la más alta concentración de rayos en el mundo

Durante la etapa ascendente de una tormenta, el agua pasa por todos sus estados o fases posibles. Del estado de vapor, a la condensación en la nube, a gotas de agua y a hielo. La estructura de una tormenta se orienta verticalmente entorno a la corriente ascendente central. Los cambios de fase estratifican la carga a temperaturas en las que las transiciones crean eventos de ionización.

El agua es auto-ionizante. En su estado líquido experimenta auto-ionización cuando dos moléculas de agua forman un anión hidróxido (OH) y un catión hidronio (H3O+).

2 H2O → H3O+ + OH

El agua, además, puede ser ionizada por impurezas, tales como el dióxido de carbono (CO2), para formar ácido carbónico (H2CO3). Cuando el agua se condensa en las nubes y gotas de lluvia bajo un campo eléctrico, proporciona un efecto ionizante beneficioso para la salud.

El agua puede llegar a estar “supersaturada”, esto es, supera el 100% de humedad relativa si el aire se enfría rápidamente, por ejemplo cuando se eleva repentínamente en una fuerte corriente de aire ascendente. La inestabilidad por supersaturación proporciona otra oportunidad para su ionización.

Habitualmente, el hielo transporta una carga neta positiva, lo que significa que la corriente fluye sobre su superficie con flujos de iones positivos. La brusca congelación de las gotas de agua, como ocurre en la generación del granizo, proporciona otra oportunidad para la ionización.

Cada estrato de aire en una tormenta tiene diferente temperatura, humedad, presión y velocidad, y transporta agua en diferentes estados o fases a diferentes presiones, lo que significa que la conductividad del aire cambia también.

Debo recordar por último algo importante. La creación de las coronas de plasma requiere una más amplia visión de la circuitería eléctrica de una súper célula de tormenta, lo cual es muy interesante pues muestra cómo las coronas generan otros efectos. Quizás incluso explican todos los efectos de las tormentas.

El impresionante vídeo a continuación fue filmado a 7.200 imágenes por segundo. Cerca de Devils Tower, Wyoming (USA):

[ Fuente consultada: Nature’s Electrode, por Andrew Hall para Thunderbolts.info ]

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