He recibido algunas peticiones acerca de información sobre los rayos, de modo que vamos a dedicarles una mini-serie, como ya anunciamos en este artículo. En principio, dedicaremos una entrada (la que estás leyendo ahora mismo) a su origen, otro a sus efectos y uno final a la protección contra los rayos.

De modo que, como a veces hago, tengo que pedirte dos cosas: por un lado, paciencia. Antes de hablar sobre la descarga en sí y los efectos (terribles, pero también fascinantes) de los rayos, debemos establecer una pequeña base teórica para ver por qué diablos ocurren. Y, por otro lado, si sabes del asunto, tengo que pedirte que busques algún tipo de pequeño palo o lápiz para poder morderlo mientras lees las abyectas simplificaciones que vamos a realizar - recuerda, antes simplista que incomprensible.

Dicho todo esto, ¿por qué se producen los rayos? ¿Por qué no simplemente llueve en las tormentas, y ya está?

Para entenderlo, hay que hablar brevemente acerca de algunas peculiaridades de la electricidad, los conductores y los aislantes (dedicaremos al menos una serie a la electricidad, de modo que trataré de ser breve aquí). Como probablemente sabes, una corriente eléctrica se produce cuando hay un desequilibrio de cargas que acaban moviéndose. Por ejemplo, si de algún modo logras arrancar los electrones de unos cuantos átomos en el extremo de un metal y los colocas todos en el otro extremo, ese extremo tendrá carga negativa (y el extremo contrario, de donde los arrancaste, carga positiva). Como consecuencia, las cargas empezarán a moverse (en este caso, probablemente los electrones) hasta que el desequilibrio desaparezca: eso es la corriente eléctrica.

Una manera relativamente sencilla de verlo es con la siguiente analogía: tienes una piscina llena de agua. Si coges muchas gotas de agua de un extremo de la piscina y las llevas al otro extremo, hay un desequilibrio (en este caso, debido a la fuerza gravitatoria, no a la eléctrica, pero bueno). Hay más agua en un extremo que en el otro, de modo que el líquido empezará a moverse hasta que, de nuevo, la superficie sea horizontal y haya la misma cantidad de agua en ambos extremos.

Pero la cuestión es que, tanto en un caso como en otro, esa reestructuración (de cargas o de agua) requiere energía: cuando el agua se mueve en la piscina, roza con el fondo, unas moléculas chocan con otras… Cuando los electrones se mueven en el metal “chocan” unos con otros, con los átomos del metal… De modo que hace falta que tengan cierta energía para poder hacerlo. Piensa que, por ejemplo, si tuvieras una piscina con el fondo desigual, con una parte muy poco profunda en el medio, podrías tener dos mitades de la piscina con el agua a alturas diferentes: las gotas de agua más elevadas no tendrían la suficiente energía para “saltar” la barrera y caer hasta la parte más baja.

Lo mismo sucede con las cargas eléctricas: es posible tener un desequilibrio de cargas pero que no se muevan (es decir, que no haya corriente eléctrica) si, para moverse, necesitan más energía de la que disponen, que es proporcional al voltaje o diferencia de potencial (que es la energía por unidad de carga). Un ejemplo sencillo: si tienes una pila con un voltaje pequeño (por ejemplo, 9 voltios) y conectas un cable con una bombilla a la pila, la bombilla se enciende. La razón es que, al ser el cable un buen conductor de la corriente, los electrones tienen energía de sobra para moverse por él hasta el otro polo de la pila.

Pero si, en vez de un cable, pones un trozo de madera entre la pila y la bombilla, ésta no se enciende. Normalmente se dice que es “porque la madera no conduce la electricidad”, pero en términos de energía como hemos hablado antes podemos decir que es porque los electrones necesitan mucha energía para poder atravesar la madera (eso es lo que significa que sea un mal conductor), y con 9 voltios de la pila no tienen tanta energía ni de lejos, luego no pasan al otro lado. Un cable de cobre es como un “fondo de piscina liso”, hace falta poca energía para moverse. Un trozo de madera es como un “fondo de piscina muy rugoso o con barreras”, hace falta mucha energía para moverse por él.

Aquí está el quid de la cuestión: los electrones sí pueden atravesar la madera, o cualquier otro material “aislante”, pero sólo si disponen de suficiente energía. Por eso los destornilladores destinados a usarse con conductores, por ejemplo, suelen tener un voltaje marcado en el mango (como “10.000 voltios máx”). Con un voltaje mayor, los electrones tendrían suficiente energía para atravesar el mango de plástico del destornillador, que conduciría la corriente eléctrica.

Otra manera en la que seguro que has experimentado lo que estoy describiendo es el conocido experimento de frotar un trozo de plástico (como un bolígrafo) contra alguna fibra sintética, como el nylon de tu pantalón. El plástico arranca electrones del otro material, y luego suelen hacerse cosas como hacer “levitar” trocitos de papel, etc. La razón de que el bolígrafo pueda quedarse cargado eléctricamente es justamente que es un aislante: si no lo fuera, al tocarlo con los dedos se descargaría a través de ti. Pero lo importante es que, al poner en contacto materiales de diferentes propiedades eléctricas -especialmente al frotarlos- pueden intercambiar cargas y quedar cargados eléctricamente.

Bien, después de toda esta parrafada, centrémonos en las nubes y los rayos. En primer lugar, tengo que decir que todavía no sabemos exactamente cómo se separan las cargas dentro de una nube, pero tenemos una idea bastante aproximada, que es la que voy a describir aquí. Puede parecer extraño, pero algunos aspectos de la meteorología son bastante borrosos: los sistemas son muy complejos y suele haber varias causas de cualquier proceso, y es difícil precisar mucho con nuestros modelos.

Aunque parezca extraño al principio, las nubes no son tan diferentes del plástico y el pantalón: dentro de ellas hay varias cosas “frotándose” unas contra otras. Como probablemente sabes, las nubes se forman cuando una masa de aire húmedo asciende, de modo que se enfría hasta que el vapor de agua que contiene se condensa y forma gotitas de agua o cristales de hielo, dependiendo de la temperatura (no caigas en la “falacia” de que son vapor de agua - lo que ves en una nube es agua y hielo).

Cumulonimbo. Crédito: Wikipedia (GPL).

La cuestión es que, en el interior de una nube en formación, hay intensas corrientes de aire ascendente, que contiene vapor de agua, agua y hielo en diferentes proporciones (dependiendo de la altitud y cómo de rápido ascienda). Pero no todas las cosas suben igual de rápido. Las partículas que van ganando masa (como, por ejemplo, las gotas de mayor tamaño) suben más despacio, mientras que las que están empezando a formarse pesan menos y suben más deprisa. De hecho, las corrientes en el interior de una nube son bastante complejas, y en algunas zonas hay corrientes descendentes. Por muy complicado que sea el proceso, estoy seguro de que entiendes la clave del asunto: en el interior de la nube hay sustancias de propiedades diferentes moviéndose rápidamente unas respecto a otras, chocando entre sí y rozándose continuamente. Aunque no sepamos el proceso exacto, estamos bastante seguros de que por eso las nubes acaban produciendo una separación de cargas.

Lo que suele ocurrir es que las partículas más ligeras quedan cargadas positivamente, y las más pesadas negativamente. De manera que la nube, según va pasando el tiempo, va teniendo carga positiva en la cima y carga negativa en la base. Claro, no todas las nubes son iguales: para que la separación de cargas sea considerable hace falta una nube “violenta” en la que las corrientes de convección sean muy fuertes. Por eso las nubes de tormenta suelen ser las de un desarrollo vertical más grande, es decir, cumulonimbos.

Además, se cree que la convivencia de hielo y agua ayuda a la separación de cargas, pues son sustancias eléctricamente diferentes, de modo que al chocar pueden arrancarse electrones uno al otro: se piensa que por eso es más frecuente que se formen rayos en las nubes de montaña. Al estar más altas, es más fácil que se formen cristales de hielo conviviendo con el agua. Sin embargo, no es más probable que se produzcan rayos en climas muy fríos: recuerda que debe haber una mezcla de sustancias diferentes chocando o frotándose, y si todo es hielo, tampoco ayuda.

En cualquier caso, imagina esa nube que va cargándose (positivamente arriba, negativamente abajo) según las corrientes de convección producen gotitas y cristales de hielo. ¿Qué pasa en el suelo mientras tanto?

La Tierra tiene una masa gigantesca (sobre todo, comparada con la de una nube). Por lo tanto, es prácticamente imposible cargarla eléctricamente: tiene tal cantidad de átomos que cualquier desequilibrio de cargas es absorbido sin que nuestro planeta se inmute (de ahí que existan las “tomas de tierra”, de las que hablaremos algún día cuando dediquemos una serie completa a la electricidad). Dicho de otro modo: el suelo, de forma global, no tiene carga. Pero la nube que hay sobre él va cargándose: la superficie inferior de la nube tiene carga negativa.

Poco a poco, según esa carga negativa va aumentando, ocurre algo curioso: debido a la repulsión entre cargas del mismo signo, los electrones del suelo se alejan de esa zona. La Tierra, en total, sigue sin tener carga, pero algunos de los electrones bajo la nube (más cuanto más cargada esté la nube) se escapan de esa zona (no suele notarse en otras zonas por el tamaño del planeta). De manera que es como si, debajo de la nube, hubiera una “sombra” de la nube en la que hay pocos electrones. Una “sombra de carga positiva” bajo la superficie inferior de la nube, de carga negativa.

Por cierto, es posible que hayas notado esto (aunque no te haya caído un rayo encima) bajo una nube de tormenta. Cuando el suelo queda cargado positivamente, tú también quedas cargado positivamente, puesto que, comparado con las distancias de las que estamos hablando, tú eres una especie de protuberancia del suelo. Si esto ocurre, notarás cómo los pelos se te ponen de punta -pues tienen carga del mismo signo y se repelen-. Llegado ese punto deberías estar muy, muy preocupado, aunque puede que no ocurra nada, como veremos en un momento.

Tenemos, entonces, un “polo positivo”, el suelo bajo la nube, y un “polo negativo”, la propia parte inferior de la nube. Es decir, tenemos una especie de pila (de hecho, es un condensador, pero hablaremos de ellos en algún otro momento). Sin embargo, en general, no pasa nada de nada: no hay corriente eléctrica. La razón, como probablemente imaginas, es la misma que en el ejemplo de la madera: el aire conduce fatal. Expresado en términos de los ejemplos anteriores, hace falta muchísima energía para que un electrón pueda moverse por el aire: para que los electrones recorran un metro en el aire tiene que haber una diferencia de potencial de tres millones de voltios (valor que se denomina “voltaje de ruptura” del aire). ¡Por eso cuando caminas junto a un enchufe, los electrones no saltan del enchufe y te electrocutan! Si tus enchufes tuvieran tres millones de voltios, la cosa sería muy interesante: breve, pero interesante.

En cualquier caso, imagina la escena: la nube y el suelo se van cargando, formando una especie de súper-mega-pila con un voltaje gigantesco. Pero, como la nube está a una altura considerable sobre el suelo, los electrones de la nube no pueden bajar hasta el suelo y deshacer el desequilibrio de cargas. Tampoco pueden subir hasta la cima de la nube y deshacerlo de esa manera, porque también hay una distancia considerable hasta allí. Por si te lo estás preguntando, no, el hecho de que la nube esté hecha de gotas de agua no ayuda, porque las gotas no están conectadas, de modo que las cargas tienen que recorrer el aire de todos modos.

¿Qué pasa entonces? Como he dicho antes, la mayor parte de las veces no pasa nada: si la base de la nube está a una altura sobre el suelo de 300 metros, haría falta un voltaje de 900 millones de voltios para que pudieran atravesar el aire y llegar al suelo. Pero la cuestión es que algunas nubes son muy grandes, las corrientes de convección muy intensas, la base está cerca del suelo, y se va cargando tanto que llega un momento en el que la diferencia de potencial entre la nube y el suelo (o entre la cima y la base dentro de la nube, o entre la nube y otra nube…) aumenta tanto que alcanza el valor necesario para que los electrones puedan recorrer el trayecto por el aire.

Lo que sucede entonces será el objeto del siguiente artículo de esta mini-serie: la descarga eléctrica a través del aire, es decir, el rayo.