Continuamos hoy nuestra mini-serie sobre rayos, que iniciamos hablando sobre el origen de los rayos. En esta segunda entrada de la serie hablaremos sobre la descarga eléctrica en sí.

Crédito: Wikipedia (GPL).

Habíamos terminado el artículo anterior cuando la diferencia de potencial entre la base de una nube (cargada negativamente) y su “sombra” cargada positivamente en el suelo era tan grande que superaba el voltaje de ruptura del aire: los electrones de la nube tienen suficiente energía para atravesar el espacio que los separa del suelo. ¿Qué sucede entonces?

Bien, dicho mal y pronto, los electrones llegan hasta el suelo y, durante el trayecto, gastan la enorme energía de la que disponían de manera violenta, y esta energía se convierte en calor, luz y sonido. Sin embargo, si observamos la descarga eléctrica -el rayo- “a cámara lenta” veremos que suceden varias cosas sucesivamente. Tengo que decir que muchos libros de texto se recrean demasiado en la complejidad de lo que sucede exactamente en cada instante de la descarga, cuando lo esencial es, simplemente, lo que acabo de decir.

En primer lugar, los electrones de la nube intentan viajar hacia el suelo, pero chocan con las moléculas de aire. El primer electrón que baja se encuentra con una molécula, choca con ella y la ioniza - separa las cargas que la constituyen. Esto “gasta” gran parte de la energía del electrón, que ya no podrá llegar muy lejos… pero abre el camino a otros electrones.

¿Por qué? Piensa que, aunque el aire es un conductor muy malo (por eso hacen falta voltajes tan enormes para que los electrones puedan atravesarlo), la cosa es muy distinta si el aire está ionizado: cuando las cargas positivas y negativas están separadas, pueden moverse muy bien debido al campo eléctrico y conducir la corriente con gran facilidad. De modo que ese primer electrón “sacrificado” abre un cortísimo camino de aire ionizado desde la base de la nube hacia abajo, por el que otros electrones pueden bajar más fácilmente.

De modo que los siguientes electrones bajan por el camino de aire ionizado y, a su vez, ionizan otras moléculas más abajo. Poco a poco, de manera escalonada, a pasos de unos 50 metros, se va formando un camino de aire ionizado que va avanzando hacia el suelo. Naturalmente, “poco a poco” en términos relativos: todo este proceso tarda una décima de segundo o dos. Sin embargo, a escala atómica, un par de décimas de segundo es, realmente, un tiempo bastante largo.

Los electrones que van realizando este camino no son muchos -se trata de una corriente muy pequeña, no del rayo propiamente dicho-. Puesto que las condiciones del aire (la temperatura, la humedad, las partículas suspendidas) son variables, y los electrones buscan el camino de menor resistencia, realizan bruscos cambios de dirección, “palpando” las zonas de mejor conductividad del aire y formando una estructura serrada en el aire - aunque, como he dicho, esta descarga es muy débil y no se ve muy bien, sobre todo comparada con el rayo “de verdad”. A veces, algunos electrones intentan bajar por un camino y otros por otro, de modo que esta descarga (llamada líder escalonado por razones obvias) se ramifica como si fuera un tenedor o un árbol. Todo este camino escalonado y serrado es el que veremos muy pronto, cuando se produzca la descarga mayor.

Según el líder se va acercando al suelo, algo parecido sucede abajo: las cargas positivas del suelo (que, recuerda, están ahí porque los electrones las abandonaron al ser repelidos por la nube anteriormente) tratan de moverse hacia arriba, repelidas por la carga positiva de la “sombra de la nube” que las rodea, y atraídas por los electrones de arriba, y van realizando otra pequeña descarga escalonada que ioniza el aire de abajo hacia arriba. A veces hay varios de estos caminos de aire ionizado que tratan de llegar al líder escalonado, desde diversos puntos del suelo.

La cuestión está en que, como veremos cuando hablemos en detalle del campo eléctrico, las cargas tienden a acumularse en las puntas, de modo que estas descargas ascendentes que van ionizando el aire suelen salir de objetos más o menos puntiagudos (pelo, árboles, paraguas, campanarios). Por eso no es igual de probable que se produzcan en un campo abierto que en un árbol plantado en medio de ese campo: el árbol tiene más probabilidad de enviar una descarga “exploratoria” hacia arriba.

Si el voltaje es realmente suficiente como para que los electrones alcancen el suelo, es inevitable que ocurra: llegará un momento en el que uno de los “dedos” del líder escalonado descendente se encuentre con uno de los de las descargas ascendentes desde el suelo. Cuando eso ocurre, tenemos un camino continuo desde la base de la nube hasta el suelo, formado por aire ionizado (electrones y cationes), que une dos zonas con una diferencia de potencial brutal. Es decir, tenemos una súper-pila y un “cable” de aire ionizado.

Lo que sucede entonces es terriblemente violento: los electrones de la base de la nube descienden al suelo en masa: se conduce una corriente de unos 40.000 Amperios de intensidad media, y hasta 120.000 Amperios de intensidad máxima. Al mismo tiempo, los iones positivos del aire suben hacia la base de la nube, puesto que ellos son repelidos por la carga positiva del suelo y atraídos por los electrones de arriba.

Secuencia de rayos durante una tormenta.

A veces se dice que “los rayos no caen, suben” porque las descargas del suelo son ascendentes, pero realmente la discusión no tiene mucho sentido: cuando se ha cerrado el camino de aire ionizado y las cargas se mueven de verdad, hay una cantidad ingente de electrones que bajan de la nube y una cantidad enorme de iones positivos que suben. El rayo es entre la nube y la tierra, ni “cae” ni “sube”, aunque sí pueda decirse que lo hagan el líder escalonado (hacia abajo) y las descargas desde el suelo (hacia arriba).

La cuestión es que, en una fracción de segundo, todo el desequilibrio de cargas que se había ido formando poco a poco se deshace en un santiamén: la potencia disipada puede llegar a los cien billones de vatios. Los electrones y los iones positivos, que se mueven en direcciones opuestas, chocan y se combinan de nuevo para formar moléculas de aire neutras, liberando gran energía en forma de luz: el relámpago. Al mismo tiempo, al calentarse muy bruscamente, el aire se expande de forma violentísima, produciendo una onda de choque que oímos como un profundo chasquido: el trueno.

Suele utilizarse la diferencia de percepción entre el relámpago y el trueno para estimar la distancia a la que se ha producido el rayo. En efecto, como la luz se mueve a 300.000 km/s, vemos el relámpago casi instantáneamente a la caída del rayo, pero como el sonido se mueve a 0,34 km/s, el trueno tarda un poco más. Cada tres segundos de diferencia entre relámpago y trueno significan aproximadamente un kilómetro de distancia del rayo. Sin embargo, sigue leyendo: la distancia a la que estás de la tormenta no debería tranquilizarte. Si puedes oír un trueno, estás suficientemente cerca para que te pueda caer un rayo, aunque no sea muy probable.

También puede que hayas notado que, muy a menudo, el trueno no es un simple estallido, sino una serie de estallidos muy cercanos y de volumen variable. Ese retumbar retrasado del trueno se debe a la combinación de dos factores: en primer lugar, a veces un rayo no es suficiente para deshacer la diferencia de potencial entre la nube y el suelo, sino que el camino de aire ionizado es utilizado por varios rayos consecutivos, separados unos 50 milisegundos, de modo que hay más de un rayo (que vemos como una luz parpadeante, como una luz estroboscópica) y más de un trueno, aunque muy seguidos. Por otro lado, si estamos lejos de donde cae el rayo, el trueno suele reflejarse en edificios, montañas, etc., con lo que oímos el trueno y el eco del trueno.

Como dijimos en la entrada anterior, también puede ser que el desequilibrio de cargas entre la base y la cima de la nube sea tan grande que el rayo se produzca entre ellas, o entre dos nubes adyacentes: los rayos de nube a nube son, de hecho, más comunes que los de nube a suelo, aunque naturalmente nos preocupan bastante menos.

Rayo de nube a nube. Publicado bajo CC 2.5 License.

Hay otros tipos de rayos más extraños. Uno de los más peligrosos es el llamado “rayo positivo”, que no cae desde la base de una nube sino desde la cima cargada positivamente. Esto puede ocurrir, por ejemplo, en un cumulonimbo: este tipo de nubes tienen una especie de “cabeza de yunque” en la parte superior, donde la masa de aire ascendente se encuentra con la tropopausa (el final de la troposfera e inicio de la estratosfera), que puede llegar varios kilómetros por delante de la base de la nube.

Si el voltaje es suficientemente alto, puede ser que se produzca justo lo contrario que en un rayo normal: el suelo bajo la cabeza de yunque se carga negativamente y lo que bajan no son electrones sino cationes, y los electrones suben desde el suelo. El enorme peligro de los rayos positivos es, por un lado, que la altura hasta la cabeza de yunque es muy grande, luego el voltaje, si se producen, es gigantesco -por otro lado, tiene que ser tan enorme que son muy inusuales, un 5% del total de rayos al suelo-, de modo que la descarga es varias veces más violenta que la de un rayo normal: hasta 300.000 Amperios. Por otra parte, la gente no se espera estos rayos: a veces llegan tan lejos de la base de la nube que caen mientras hace sol. A veces nos cogen desprevenidos y no tomamos medidas de protección contra estos “rayos positivos”.

De modo que no sólo pueden caer rayos sin que llueva (de hecho, no son más comunes mientras llueve, lo importante es que haya nubes bajas y espesas), sino que no hace falta ni que esté nublado justo encima de ti -aunque, como hemos dicho, no sea tan frecuente en ese caso. En general, los rayos pueden llegar a varios kilómetros por delante de la nube, dependiendo de cuál es el camino más fácil para los electrones hasta el suelo, lo cual es bastante impredecible. Por eso, como recordaremos cuando hablemos sobre las medidas de protección contra los rayos, si puedes oír el trueno, estás en peligro. No hace falta que oigas un trueno casi a tu lado para que te refugies contra los rayos.

Las fotos no son suficientes para disfrutar de los rayos como merecen, de modo que aquí tienes algunos videos interesantes. El primero, simplemente la caída de un rayo durante una tormenta (me encanta el trueno):

Como hemos dicho, es difícil saber cuándo va a caer un rayo. A veces, los videos de rayos pretendían ser de otra cosa distinta hasta que…

Los aviones también pueden servir de “camino” al rayo hacia el suelo. Como se dice en el video, un avión comercial recibe una media de un rayo al año:

En la próxima entrada hablaremos sobre los efectos de un rayo sobre el cuerpo humano y cómo protegerse contra ellos.