El rayo y relámpago. El rayo es un fenómeno natural de la descarga electrostática y degradación que puede ocurrir cuando una gran cantidad de electricidad estática se acumula en áreas de nubes de tormenta en estas nubes, entre ellos o entre estas nubes y la tierra (La tierra o el mar).
La diferencia de potencial eléctrico (electrostático) entre las dos zonas puede alcanzar de 10 a 20 millones de voltios. Como la luz viaja mucho más rápido que el sonido, el rayo suele ser visible mucho antes de que se escuche el trueno, lo que nos permite estimar la distancia a la que ha caído el rayo (multiplicando por 0.34 el número de segundos)
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Rayo
El rayo es una descarga eléctrica que calienta el aire a más de 30,000 ° C, y ocurre en las nubes, o desde una nube y el suelo, y eso se manifiesta de manera constante por los efectos de la luz, rayos, efectos de sonido, truenos y efectos variables del mismo tipo que los que producen fuertes chispas eléctricas, físicas, químicas, mecánicas, etc.
El relámpago en bola y los fuegos de San Elmo son fenómenos más singulares y menos violentos, pero que de la misma manera involucran la electricidad atmosférica. Se almacenan, con el rayo mismo, en la categoría de electrometeoros.
El rayo, que es una de las características de las tormentas eléctricas, es uno de los fenómenos más energéticos de nuestro planeta. También hemos visto en otros lugares, especialmente en Júpiter , donde la escala del fenómeno es aún más considerable. (Ver Articulo: Planeta Júpiter)
Relámpago
Es la manifestación luminosa del rayo, cuyo trueno es la manifestación del sonido. Es un fenómeno altamente energético (varias decenas de miles de megavatios liberados), causado por la aparición de masas de nubes de cargas eléctricas opuestas, separadas por posibles diferencias. Del orden de varias decenas de millones de voltios, al menos.
La presencia de nubes parece, de hecho, indispensable; pero se notará que las nubes formadas por la condensación del vapor de agua no son las únicas que producen rayos; las nubes de ceniza que a menudo acompañan a las erupciones volcánicas son a menudo la sede de tormentas violentas; Los llamados flashes volcánicos aparecen durante las descargas eléctricas que corren a través de las nubes de ceniza sopladas en la altitud.
Esta separación de cargas puede tener lugar dentro de la misma nube. Entonces seremos testigos de un flash. Puede tener lugar de una nube a otra, cada una con una carga distinta. Esto dará lugar a un rayo. En un tercio de los casos, aproximadamente, ella llega a tierra; Hablamos entonces de golpe de tierra.
Arago, quien publicó un importante aviso sobre rayos en 1837, distinguió rayos en tres clases: rayos en zigzag y rayos en lámina, que corresponden a rayos generalmente observados, y globos de fuego. Hoy en día, todavía hay tres categorías de rayos. Los primeros son aquellos que corresponden a la primera clase de Arago, y se descargan entre una nube y el suelo. También se consideran los destellos, que también pueden asimilarse en gran medida a la segunda clase de Arago y se refieren principalmente a los rayos de la hoja.
Estos, en lugar de concentrarse en rasgos sinuosos muy delgados, por el contrario, abarcan superficies inmensas; no tienen ni la blancura ni la vivacidad de los rayos de primera clase. A veces iluminan solo el contorno de las nubes, A veces abrazan toda la superficie, a veces incluso parecen salir de su interior.
Finalmente, a partir de las obras fotográficas de Trouvelot. (1888), en una tercera clase, el rayo que, como los anteriores, no alcanza el suelo, sino que se presenta en forma de múltiples ramificaciones. Los globos de fuego, que no son rayos a la luz, están dispuestos por separado.
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Diferencia entre Rayo y Relámpago
- El rayo es una descarga eléctrica gigantesca que se forma entre las nubes y el suelo.
- Los rayos se componen de rayos y truenos: un gigantesco destello de luz y una impresionante explosión de sonido.
- El rayo es aire que se enciende al pasar el rayo porque la temperatura de la descarga eléctrica es de 30.000 ° C.
- El trueno es el volumen de aire que aumenta considerablemente bajo el efecto de un rayo: provoca una fuerte detonación.
Efectos Físicos de los Rayos
El rayo a menudo opera la fusión de las piezas de metal que golpeará; Muchos ejemplos se encuentran en las relaciones de las tormentas; a menudo, después de un rayo, los objetos metálicos muestran rastros de fusión sin que se alteren los objetos vecinos
Así había tenido la idea de Benjamin Franklin, abandonada hoy, ¡que los rayos tenían la propiedad de operar fusiones frías! A menudo la fusión es superficial; a veces, la cantidad de masa fundida es importante; así el trazador de líneas de Nueva York recibió, el 19 de abril de 1827, un rayo que derritió su pararrayos en una longitud de 30 centímetros; Su diámetro estaba en la base de 6 milímetros.
Al mismo tiempo, la cadena de este conductor de rayo, formada con alambres de hierro de 6 milímetros de diámetro, se fundió en una longitud de 39 m. Cuando el rayo es demasiado débil para producir la fusión, a menudo determina el acortamiento de las partes metálicas que cruzó; cuando los cables de metal se estiran entre dos puntos fijos, este acortamiento tiene el efecto de romper estos cables.
Los metales no son los únicos cuerpos que experimentan estos fenómenos, aunque los rayos a menudo los golpean; Se han encontrado muchos fulguritas; Son cilindros irregulares casi siempre huecos, que se encuentran en la arena dispuestas casi verticalmente; La pared interior es un vidrio muy liso; La corteza exterior está compuesta por granos de cuarzo aglutinados.
Se ha encontrado que tiene más de 10 m de longitud. Se admite que son producidos por rayos que cruzan la arena; Han sido encontrados a los pies de los árboles o de los relámpagos. Hay muchos ejemplos de rayos que magnetizan barras de acero y piezas de hierro de cronómetros o que cambian el magnetismo de los compases en los barcos.
Efectos Mecánicos de los Rayos
Los rayos a menudo perforan las paredes, a veces las ventanas, cuando estos malos conductores se separan de las partes metálicas que dan al fluido eléctrico un paso fácil; más raramente, perfora agujeros en las hojas de metal (hojas de veleta, techos de zinc, etc.).
Muy a menudo, los materiales malos conductores se proyectan fuera:
- “Una roca micaschista de 32 m de largo y 3 m de ancho y 1,20 m de grosor fue”, dice un testigo, dividido en tres fragmentos, uno de los cuales no fue proyectado; otros 8 m 50 de largo, 2,10 m de ancho y 1,20 m de espesor fueron lanzados sobre un montículo a una distancia de 45 m; el tercero, de 12 m de largo, fue proyectado a mayor distancia y cayó al mar “.
Cerca de Manchester, el 6 de agosto de 1809, un rayo transportó, sin derribar, una pared de ladrillos que pesaba 26 kilogramos a una distancia de aproximadamente 2 metros.
Efectos Químicos de los Rayos
Se ha demostrado que la chispa eléctrica, que pasa en el aire, da con el nitrógeno y el oxígeno que contiene, ácido hipoazótico; Los rayos pueden producir el mismo efecto; También puede convertir el oxígeno en ozono. Pero no hemos visto estos efectos de una manera clara; después del trueno, a menudo hemos percibido un olor a azufre a veces lo suficientemente fuerte como para producir asfixia. Otras personas han comparado este olor con el del fósforo (la presencia de ozono sería la causa de este olor) o la del ácido hipoazótico.
Efectos Fisiológicos de los Rayos
Los rayos producen considerables efectos mecánicos en los seres vivos que golpea; a veces las huellas de los rayos son solo superficiales y se reducen a moretones; en otras ocasiones los huesos mismos se rompen. A menudo, la ropa de la persona que golpea se incendia.
Una característica importante de la muerte relámpago, que es de interés para la medicina forense, es el magnetismo intenso de los cuchillos, agujas y herramientas de acero que pueden usar las personas golpeadas por un rayo. Los rayos que no determinan la muerte a menudo producen parálisis parcial, por lo general no persistente.
Otro efecto notable es destruir por completo el vello del cuerpo: el comandante Rihouet, quien fue alcanzado por un rayo en su barco el 22 de febrero de 1812. Perdió para siempre su cabello, sus pestañas, sus cejas, todo su cabello y las uñas de sus manos se desprendieron de escamas el año siguiente.
También hay un joven que, sin haber sido golpeado, se encontró cerca del rayo, y que luego quedó completamente afeitado. Arago cita varios casos en que las personas golpeadas por un rayo experimentaron, después de la recuperación de los accidentes de pasajeros que los habían afectado, una mejora de su salud (supresión del reumatismo, etc.), pero quizás, simplemente, después de la prueba que los había golpeado, dudaban ahora de quejarse. (Ver Articulo: Rayos Cosmicos)
Rayo Extraterrestre
Los primeros indicios de relámpagos en la atmósfera de otro planeta vinieron de Venus , en 1978. En ese momento, los instrumentos de las sondas Venera 11 y 12 entraron unos días aparte en la atmósfera venusiana, detectados entre altitudes de 30 y 2 km, muchos pulsos electromagnéticos aparentemente causados por un largo rayo. Venera 12, en el suelo, incluso captará una sacudida larga que será interpretada por algunos investigadores como el efecto de un enorme trueno.
Sin embargo, las características de los componentes de la atmósfera del planeta dificultaron tal explicación, al menos si fuera una tormenta análoga a la que se observa normalmente en la Tierra. Algunos astrónomos han especulado que puede ser un rayo eruptivo. Venus, el planeta con 500 000 volcanes, ¿se encuentra actualmente en fase activa? Estudios posteriores no pudieron confirmar este punto.
Por el contrario, muchas razones sugieren que los volcanes venusianos se han extinguido durante mucho tiempo. E incluso si la pregunta no se puede considerar como completamente decidida, hoy pensamos que los supuestos destellos no lo fueron, y que las señales electromagnéticas fueron solo el efecto del bombardeo de la atmósfera superior de Venus por parte de viento solar. (Ver Articulo: Planeta Venus)
La situación es más favorable en el caso de planetas gigantes. Fenómenos de radiofrecuencia similares a los detectados en Venus, y quizás esta vez atribuibles a los rayos reales, se detectaron en Saturno , Urano y Neptuno . Pero es en la agitada atmósfera de Júpiter donde los rayos se han observado mucho más seguros, tanto por la sonda Galileo (La exploración in situ de Júpiter), que más recientemente por la nave espacial Cassini-Huygens en ruta a Saturno.
Estos destellos, que se supone que se forman a partir de nubes que contienen partículas de hielo de agua, son como en la Tierra asociados con perturbaciones atmosféricas significativas. Algunas de estas tormentas eléctricas se extienden por varios cientos de kilómetros, y dan lugar a un rayo mucho más brillante que el que conocemos en nuestro planeta. Y admitamos que habríamos estado muy frustrados si hubiera sido de otra manera, si el planeta que lleva el nombre del antiguo dios de los rayos no le haya dado el lugar que le pertenece al tipo de demostración. (Ver Articulo: Nave Cassini)
Rayo Bola o Globular
Un fenómeno luminoso, de origen eléctrico, ciertamente de la misma naturaleza que un rayo, que aparece en el aire en forma de globos de color, se llama rayo de bola, rayo globular o bola de fuego. Variable de blanco mate a rojo brillante. Estos globos, que los observadores a veces han comparado con una naranja o la luna, pero con contornos indecisos, tienen desde unos pocos centímetros hasta unos pocos decímetros de diámetro.
Casi siempre aparecen como resultado de un trueno; Se mueven lenta y erráticamente. Mientras avanzan cerca del suelo, permanecen siempre separados de la superficie de los cuerpos y no parecen emitir calor. Los vemos detenerse por un momento, avanzar de nuevo, luego rebotar como una pelota elástica.
A veces, se ha dicho, estos globos parecían extinguirse al caer, y luego se reavivaron después de haber emitido una gran cantidad de vapor y humo. También se ha visto que se dividen en globos más pequeños. A menudo, al final, parecía salir una garza, o chispas y llamas escapaban en todas direcciones.
En otras ocasiones (si sigue siendo el mismo fenómeno), muestran una gran velocidad de su movimiento que les da la apariencia de una cola luminosa. También se ha observado que a veces estos globos son lo suficientemente brillantes como para proyectar sombras a la luz del día. Según las descripciones, el fenómeno suele terminar en una explosión. La bola se hincha y estalla.
Rayo Intra e Inter-Nube
La disposición de las cargas eléctricas en la tormenta, como se explicó anteriormente, crea diferencias potenciales entre la parte superior, el centro y la base de la tormenta. Cuando el potencial es lo suficientemente grande, el aire entre estos diferentes niveles ya no es lo suficientemente aislante y se produce una ruptura. El rayo generado entonces puede ocurrir entre diferentes partes de la nube o entre nubes vecinas.
Como estas capas están generalmente más cerca unas de otras que en el suelo, este tipo de rayos será el primero en ocurrir. A medida que aumenta la tormenta y aumenta el potencial, el rayo de la nube a la tierra tomará el control sin ser el único. El cambio en la proporción entre el tipo de inter / intra-cloud y cloud-suelo es, por lo tanto, una indicación de la etapa de desarrollo del cumulonimbus.
Rayo Nube-Tierra
Hay dos tipos de iluminación de nube a tierra, ya sea descendente (parte superior de la nube hacia el suelo) y ascendente (tierra hacia la base de la nube):
- El tipo descendente es el más común, pero un cambio de este tipo hacia el tipo ascendente es a menudo indicativo de un clima severo porque la nube está particularmente desarrollada;
- El tipo ascendente es más común en el caso de rayos en estructuras altas (torres, pilones). También ocurre a menudo en la parte delantera de la nube, hasta 40 kilómetros de la nube, cuando deja el yunque. Tal fenómeno puede sorprender a las personas que se encuentren viendo la tormenta en la distancia (un rayo desde un cielo despejado)
Rayo Medusa
Los destellos que aparecen sobre las nubes durante tormentas eléctricas han sido reportados por pilotos de aviones durante mucho tiempo, pero los científicos solo comenzaron a considerarlos en 1989, cuando La Universidad de Minnesota lo filmó accidentalmente. su estudio sistemático no comenzó realmente hasta 1994.
No muy brillantes, estos espíritus rojos son difíciles de observar a simple vista y prácticamente invisibles desde el suelo, especialmente debido a la interposición de la cubierta de nubes. En cualquier caso, su observación requiere una visión acostumbrada a la oscuridad y solo puede hacerse lejos de la iluminación urbana. Todas estas complicaciones explican el reciente descubrimiento de los espíritus rojos, aunque no son realmente raros. Habría un espíritu rojo para doscientos golpes en el suelo.
Hoy sabemos que se forman en la cima de las nubes de tormenta y se elevan muy alto en la atmósfera (a veces hasta 90 km de altitud). Estos son flashes de unos pocos milisegundos de duración y color característico. En su base, a veces se observa otro fenómeno, en forma de una columna luminosa, más o menos ramificada, de color azul o verdoso) también señalada por los pilotos, antes de que la comunidad científica admita su existencia.
Estos elfos azules (¡nombre no garantizado!) Son descargas eléctricas, que podrían compararse con “relámpagos al revés”. Suben hacia la estratosfera, incluso la ionosfera, a velocidades del orden de cien kilómetros por segundo.
Relámpago Volcánico
Una tormenta volcánica es un fenómeno meteorológico resultante de la aparición de un rayo sobre una erupción volcánica cuando las partículas de ceniza y polvo que son expulsadas por este último se proyectan a alta velocidad en un área de intensa actividad térmica.
Se frotan rápidamente y los cargan con electricidad , lo que les hace acumular cargas positivas o negativas. El voltaje de los campos electromagnéticos formados por este último se vuelve gradualmente demasiado fuerte, lo que provoca la aparición de un rayo volcánico.
Detección de Rayos
El molino de campo es un instrumento para medir un campo eléctrico estático. En meteorología, este instrumento hace posible, gracias al análisis del campo electrostático sobre él, señalar la presencia de una nube cargada eléctricamente que refleja la inminencia del rayo.
Red de antenas receptoras que reciben la señal de radio generada por la descarga. Cada una de las antenas dibuja la dirección de la que proviene el rayo y su intensidad. Mediante la triangulación de las direcciones, se puede deducir la posición; sistema móvil que utiliza solo una antena direccional para deducir la dirección e intensidad del rayo y luego deducir la distancia mediante el análisis de la frecuencia y la atenuación de la amplitud de la señal.
Detección artificial de satélites de rayos producidos por tormentas eléctricas mediante el escaneo del área de visión para la detección de flashes. Esto se hace usando satélites geoestacionarios, que están a unos 36,000 km de la Tierra. A esta distancia, se puede descuidar el grosor de la atmósfera y la posición se puede deducir en latitud y longitud directamente.
Las redes de detección de rayos son utilizadas por servicios meteorológicos como el Servicio Meteorológico de Canadá , Météo-France y el Servicio Meteorológico Nacional de EE. UU. Para monitorear tormentas y advertir a las poblaciones. Otros usuarios privados y gubernamentales también los utilizan, incluidos los servicios de prevención de incendios , servicios de transmisión de electricidad, como Hydro-Québec, y plantas de explosivos.
El rastreo satelital se está desarrollando, tiene una mejor tasa de detección, pero los datos se informan a intervalos de 5 a 10 minutos y no de forma continua. Los sistemas móviles son utilizados por la industria del transporte aéreo en aviones para detectar y prevenir tormentas eléctricas.
Protección
El rayo es como un perfecto generador de corriente. Por lo tanto, uno de los métodos de protección es facilitar el flujo de cargas eléctricas hacia la tierra, por medio de conductores dedicados. El pararrayos facilitará la trayectoria del canal de rayos mediante un efecto de pico. El pararrayos será efectivo siempre que esté en presencia de un rayo descendente cuyo precursor avanza en saltos sucesivos. Este es el caso en el 90% de los rayos. Es, entonces, muy importante asegurar la continuidad eléctrica de gran capacidad al suelo .
Este proceso no garantiza la intercepción de un arco eléctrico, que puede caer justo en la vecindad. Por esta razón, los edificios industriales sensibles están equipados con muchos consejos y conductores. También es recomendable interconectar todas las partes conductoras circundantes (por ejemplo, tuberías de agua) con este circuito de descarga (si está en buenas condiciones).
Un buen dispositivo de protección externa para una instalación de rayos consta de estos componentes:
- Un dispositivo de captura, que puede tomar varias formas: alambres tensados, pararrayos o conductores de rayos, conductores de malla. Estos dispositivos deben dimensionarse, de acuerdo con el nivel de protección deseado, mediante el método de esfera ficticia deducido, el modelo electrogeométrico del rayo, de modo que se produzca un impacto del rayo preferentemente en el dispositivo y no en la instalación a proteger
- Una buena conexión equipotencial de todas las partes metálicas del edificio conectadas al pozo de tierra (que consiste en una red de conductores desnudos y enterrados, en contacto cercano con el suelo), que debe permitir dispersar “fácilmente” las corrientes en el suelo. Para hacer esto, estos conductores deben tener una baja resistencia a la tierra, lo que además permite limitar las sobretensiones que puedan aparecer en las conexiones eléctricas externas que penetran en la instalación a proteger.
- Conductores de descenso, que proporcionan la unión entre el dispositivo de captura y el pozo de tierra;
Algunos protectores de sobretensión en el panel eléctrico principal para disipar las cargas eléctricas que pueden funcionar con la red eléctrica del edificio (incluso a través de la inducción , incluso sin contacto directo con los rayos), y pueden dañar los dispositivos conectados al sistema eléctrica. Este conjunto de conductores debe estar interconectado de manera adecuada y duradera.
Sin embargo, la instalación de un pararrayos no tiene en cuenta los efectos indirectos de los rayos en una instalación. La circulación de la corriente del rayo en los conductores del dispositivo genera un campo magnético pulsado intenso, que puede perturbar o incluso destruir algunos componentes de la instalación eléctrica del edificio a proteger. Se pueden considerar varias soluciones para limitar estos efectos:
Para mantener los conductores de captura y descenso alejados de la instalación a proteger, ya que el campo magnético radiado por un conductor es inversamente proporcional a la distancia con respecto a este conductor
Multiplique estos conductores para dividir las corrientes: es posible reducir los niveles de campo cerca de los conductores, y si la corriente está bien distribuida alrededor de la instalación a proteger, también se obtiene un cierto efecto de compensación del campo magnético creado. por cada conductor
Aumentar la atenuación específica de la estructura de la instalación, por ejemplo, mejorando la continuidad eléctrica del refuerzo en el caso de construcciones de concreto reforzado (soldadura de cruces y solapes de hierros), para constituir una mejor pantalla electromagnético
Para mejorar la equipotencialidad de las masas metálicas de la instalación, a fin de limitar las diferencias en los potenciales inducidos, mediante la interconexión de los diversos elementos conductores de la instalación (vigas metálicas, tuberías de agua, armarios de gabinetes y equipos eléctricos), medios de trenzas de masa, por ejemplo.
Dar un tratamiento especial al cableado de la instalación: coloque los cables lo más cerca posible de las masas metálicas (vigas, por ejemplo) o sobre cables metálicos conectados a tierra en sus dos extremos, lo que permite reducir las superficies de los bucles. Masas y, por tanto, tensiones parásitas inducidas en las entradas / salidas del equipo eléctrico.
En las redes eléctricas, se evita que los rayos que caen en las líneas eléctricas se propaguen dentro de la estación instalando por encima de los conductores eléctricos de estas líneas los cables de protección , que además de su función de soporte de comunicación (Contienen fibra óptica), juegan un papel de protección contra los rayos.
Más allá de esta protección primaria, la protección de las instalaciones eléctricas contra las sobretensiones producidas por los rayos en los conductores activos de las conexiones eléctricas se logra mediante el uso de componentes de protección contra sobrecargas (descargadores de sobretensiones , descargadores de gas, termistores, diodos de Transil) que tienen con el propósito de cortocircuito.
Los impulsos parásitos viajan en las conexiones eléctricas al desviar la mayor parte de la energía del pulso directamente hacia el suelo. El cableado adecuado de estos componentes es esencial para su eficiencia, así como la longitud y la posición de los cables, que desempeñan un papel vital.
En el exterior, las reglas de protección individual están en la ciudad para protegerse en un edificio y en el campo lejos de cualquier clima ( efecto máximo de los árboles, cercas) y no para reagruparse (en el espacio expuesto). ). El coche, con su estructura metálica, es una protección bastante buena (efecto de jaula de Faraday ).
La posición más segura, por lo que no puede refugiarse, es el de la “bola de seguridad” que se va a ponerse en cuclillas, con los pies juntos y sin tocar el suelo con las manos, pero tenemos que pensar y separar objetos metálicos afilados (alpinistas).
El riesgo de rayos puede ser apreciado por la “regla de 30-30”, según la cual es imperativo proteger contra los rayos si el tiempo entre rayos y truenos es menos de 30 segundos (la tormenta se ubica a una hora o a una distancia de unos 10 km ), o si el tiempo transcurrido después del último relámpago o trueno es inferior a 30 minutos.
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