¿Por qué los rayos zigzaguean? Por fin hemos resuelto el misterio

John Lowke, University of South Australia

Todo el mundo ha visto un rayo y se ha maravillado de su poder. Pero, a pesar de su frecuencia –cada día se producen unos 8,6 millones en todo el mundo–, sigue siendo un misterio por qué avanzan en una serie de saltos y pausas desde la nube de tormenta hasta la tierra.

Existen algunos libros sobre este fenómeno, pero ninguno ha explicado cómo se forman estos zigzags (llamados escalones) y cómo los rayos pueden viajar a lo largo de kilómetros. Mi nueva investigación ofrece una explicación.

Del cielo al suelo, a saltos

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

Al final del escalón, hay una pausa mientras la acumulación se produce de nuevo, seguida de otro salto brillante y parpadeante. El proceso se repite una y otra vez.

El aumento de los fenómenos meteorológicos extremos hace que la protección contra los rayos sea cada vez más importante. Saber cómo se forman permite desarrollar soluciones para proteger mejor los edificios, los aviones y a las personas.

Además, aunque el uso de materiales compuestos respetuosos con el medio ambiente en las aeronaves está mejorando la eficiencia del combustible, estos materiales aumentan el riesgo de daños por rayos, por lo que tenemos que buscar una protección adicional.

¿Cómo caen los rayos?

Los rayos se producen cuando las nubes de tormenta con un potencial eléctrico de millones de voltios se conectan a la tierra. 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 los rayos revelan una serie de detalles que no se perciben a simple vista. Por lo general, hay cuatro o cinco débiles trazadores que salen de la nube. Estos se ramifican y zigzaguean en una trayectoria irregular hacia la tierra.

El primero de estos trazadores que toca tierra inicia el impacto del rayo. Entonces, los demás se extinguen.

Hace cincuenta años, la fotografía de alta velocidad reveló una complejidad aún mayor. Los trazadores avanzan hacia abajo desde la nube en escalones de unos 50 metros de longitud. Cada escalón se vuelve brillante durante una millonésima de segundo, pero luego hay una oscuridad casi total. Al cabo de otras 50 millonésimas de segundo se forma otro escalón al final del anterior, pero los escalones previos permanecen oscuros.

¿Por qué se producen estos saltos? ¿Qué ocurre en los periodos de oscuridad entre ellos? ¿Cómo es posible que los escalones estén conectados eléctricamente a la nube sin que haya una conexión visible?

Las respuestas a estas preguntas se encuentran en la comprensión de lo que ocurre cuando un electrón energético choca con una molécula de oxígeno. Si el electrón tiene suficiente energía, excita la molécula al estado singlete-delta. Se trata de un estado metaestable, lo que significa que no es perfectamente estable, pero no suele caer en un estado de energía inferior hasta pasados unos 45 minutos.

El oxígeno en este estado singlete-delta desprende electrones (necesarios para que fluya la electricidad) de los iones de oxígeno negativos. Estos iones son sustituidos casi inmediatamente por electrones (que llevan una carga negativa) que se unen de nuevo a las moléculas de oxígeno. Cuando más del 1 % del oxígeno del aire se encuentra en el estado metaestable, el aire puede conducir la electricidad.

Por tanto, los escalones de luz se producen cuando se crean suficientes estados metaestables para desprender un número significativo de electrones. Durante la parte oscura de un paso, la densidad de estados metaestables y de electrones aumenta. Al cabo de 50 millonésimas de segundo, el escalón puede conducir la electricidad, y el potencial eléctrico en su extremo aumenta hasta aproximadamente el de la nube, y produce un nuevo escalón.

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

Protección de personas y bienes

Entender cómo se forman los rayos es importante para diseñar la protección de los edificios, las aeronaves y también las personas. Mientras que es raro que un rayo alcance a un individuo, los edificios son alcanzados muchas veces, especialmente los altos y aislados.

Cuando un rayo cae sobre un árbol, la savia de su interior hierve y el vapor resultante crea una presión que abre el tronco. Del mismo modo, cuando un rayo golpea la cornisa de un edificio, el agua de la lluvia que se ha filtrado en el hormigón hierve. La presión hace estallar toda la cornisa del edificio, aumentando el riesgo de derrumbes mortales.

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

Estos pararrayos son necesarios para los edificios altos, pero aún desconocemos cuántos se necesitan en cada construcción.

John Lowke, Adjunct Research Professor of Physics, University of South Australia

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.