LA ESTRUCTURA ELÉCTRICA DE LA NUBE

Todavía no se sabe con seguridad cómo las nubes de tormenta se cargan eléctricamente. La estructura eléctrica de una nube de este tipo es muy compleja: resulta de la ocurrencia simultánea, en su interior, de procesos macrofísicos (que actúan en escalas de kilómetros) y microfísicos (que actúan en escalas de centímetros o metros). Se cree que tanto las nubes aisladas como las agrupadas tienen estructura similar, aunque no hay informaciones detalladas. En función de esos procesos, son generadas cargas intensas dentro de las nubes, con valores que pueden variar de algunos pocos coulombs (unidad de medida de carga eléctrica) hasta dos centenas de coulombs. Los relámpagos tienen su origen en esas cargas.

Diversos procesos microfisicos buscan explicar cómo las colisiones de las partículas de agua y hielo generan las cargas. Hay dos procesos principales: uno está basado en el campo eléctrico de la atmósfera y el otro, en la temperatura ambiente.

          1) El primero -proceso inductivo- sostiene que el campo eléctrico atmosférico, conocido como campo eléctrico de buen tiempo, puede separar las cargas por la polarización de partículas grandes (como el granizo). Como el campo eléctrico disminuye con la altitud, la colisión de partículas menores (como cristales de hielo) en la parte inferior del granizo transfiere cargas positivas para tales cristales. Este proceso fue el más aceptado por mucho tiempo, pero en los últimos años experimentos de laboratorio indicaron que la intensidad del campo atmosférico no es suficiente para que esto ocurra, al menos en el período inicial de formación de las cargas dentro de la nube. 

          2) El otro proceso -termoeléctrico- asume que la polaridad de la carga transferida durante una colisión depende de la temperatura local. Si esta fuera mayor que la temperatura de inversión de carga, estimada en torno a los -15° C, el granizo transferiría una carga negativa al cristal de hielo. En caso contrario, lo haría con una carga positiva.

Otros procesos microfísicos han sido sugeridos, como aquellos en que la separación de cargas ocurriría en el cambio de estado del agua a hielo o dependería del tamaño de las gotas de agua en caída dentro de la nube. Tales procesos todavía son investigados.

Los principales procesos macrofísicos que pueden explicar la distribución de las cargas eléctricas en las nubes son el proceso gravitatorio y el de convección:

          1) El proceso gravitatorio sostiene que la gravedad es el factor más importante: las cargas asociadas a las partículas mayores (de hasta algunos centímetros) tienden a desplazarse hacia la parte inferior, y las asociadas a las partículas menores (de fracciones de milímetro) tienden a quedar arriba.

          2) El proceso de convección,hoy menos aceptado, asume que las cargas internas resultan simplemente de la distribución de las cargas eléctricas existentes en la atmósfera, sin la necesidad de considerar un proceso dentro de la nube.

La distribución de las cargas en una nube de tormenta depende de los procesos mencionados y puede ser descrita, en forma simplificada, como una estructura tripolar. Básicamente, existen dos centros principales de carga: uno positivo, más o menos esparcido en la parte superior de la nube, hasta cerca del tope; y otro negativo, concentrado en la capa horizontal en que la temperatura se mantiene alrededor de -10° C. Pero existe un tercer centro menor y también positivo, junto a la base de la nube. Durante mucho tiempo, el centro menor fue asociado a la captura, por la nube, de iones positivos presentes en la atmósfera debajo de ella. Actualmente, se cree que tiene su origen en el proceso termoeléctrico.

Generalmente, la carga eléctrica de los centros principales es de orden de 30 coulombs y la carga del centro menor, de alrededor de 5 coulombs. Las altitudes en las que se localizan varían de acuerdo con la latitud geográfica, y son mayores en regiones más cálidas. Además de esos tres centros, se observaban capas finas de cargas, conocidas como capas de blindaje, en los bordes superior e inferior de la nube, formadas a partir de la captura de iones atmosféricos. Tales capas reducen parcialmente los campos internos de la nube, cuando son observados desde su exterior. Dentro de una nube de tormenta, el campo eléctrico puede alcanzar valores del orden de centenas de miles de voltios por metro. En el suelo, debajo de esas nubes y por influencia de ellas, el campo puede alcanzar cerca de 10.000 voltios por metro, valor 100 veces mayor que los de las zonas sin nubes.

Las nubes de tormenta aisladas pueden producir durante su existencia hasta algunas centenas de relámpagos. Generalmente, ocurren de uno a cuatro relámpagos hacia el suelo por minuto. La distancia media entre el lugar de caída de dos relámpagos de una misma nube es de 3km, y varía desde pocas centenas de metros a algunas decenas de kilómetros. Los relámpagos producidos por las nubes aisladas tienden a ocurrir hacia el final de la tarde, sin embargo en regiones montañosas, el periodo de máxima ocurrencia tiende a ser en el inicio de la tarde. Tanto las líneas de inestabilidad como los complejos convectivos pueden producir centenares de relámpagos por minuto, y en ese caso no hay horario de preferencia de ocurrencia: el máximo puede suceder a lo largo del día o también a la noche.


Extracto de Tormentas Positivas : Sorpresa en los Cielos Brasileños , Osmar Pinto Jr. - Iara R.C.A. Pinto - Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales
Ciencia Hoy, Vol.8 - 44 - Ene/Feb 1998

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Sin embargo, los campos eléctricos medidos en el interior de las nubes de tormenta son demasiado débiles para explicar por si solos la aparición del rayo. Según recientes investigaciones, la clave podría estar en una cascada de electrones de alta energía ocasionados por la colisión de rayos cósmicos con la atmósfera. Esta hipótesis está avalada por la dectección de rayos X y gamma en las proximidades de los rayos, producidos por "radiación de frenado"en la colisión de los electrones con átomos de la atmósfera.


Saludos.

Cita de: Gluón en Martes 09 Agosto 2005 19:19:04 PM
Sin embargo, los campos eléctricos medidos en el interior de las nubes de tormenta son demasiado débiles para explicar por si solos la aparición del rayo. Según recientes investigaciones, la clave podría estar en una cascada de electrones de alta energía ocasionados por la colisión de rayos cósmicos con la atmósfera. Esta hipótesis está avalada por la dectección de rayos X y gamma en las proximidades de los rayos, producidos por "radiación de frenado"en la colisión de los electrones con átomos de la atmósfera.

Muy interesante. ¿Podrías dar alguna página web o referencia para ampliar información?.  Debe ser muy difícil poder detectar los escasos fotones que se producirán en el frenado de electrones en la atmósfera ya que la radiación de frenado se produce sobre todo en medios con número atómico alto y los átomos de la atmósfera tienen número atómico bajo. (Aunque más difícil es cazar neutrinos y lo han hecho, claro).

Una pequeña matización: la radiación gamma, por definición, es emitida como consecuencia de procesos nucleares (normalmente desintegraciones radiactivas). La "radiación de frenado" producida en el frenado de electrones son siempre rayos X,  (si los electrones tienen energía suficiente, los rayos X resultantes pueden tener energías mayores que los rayos gamma).

Saludos.

Cita de: Gluón en Martes 09 Agosto 2005 19:19:04 PM
Sin embargo, los campos eléctricos medidos en el interior de las nubes de tormenta son demasiado débiles para explicar por si solos la aparición del rayo. Según recientes investigaciones, la clave podría estar en una cascada de electrones de alta energía ocasionados por la colisión de rayos cósmicos con la atmósfera. Esta hipótesis está avalada por la dectección de rayos X y gamma en las proximidades de los rayos, producidos por "radiación de frenado"en la colisión de los electrones con átomos de la atmósfera.


Saludos.

Interesante paper de Physics Today del mes de mayo relacionado con lo que comentas:

Runaway Breakdown and the Mysteries of Lightning

En la Investigación y Ciencia de julio viene un artículo de Joseph R. Dwyer sobre este tema.

En internet:

Sobre los limites de los campos eléctricos en la atmósfera

http://www.nature.com/news/2003/031110/pf/031110-19_pf.html

http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring05/atmo589/articles/Dwyer_Fundamental_limit_GRL_Oct_2003.pdf

Sobre dectección de rayos X y gamma

http://www.lightning.ece.ufl.edu/PDF/Gammarays.pdf

http://sprg.ssl.berkeley.edu/atmos/tgf/DwyerTGF021505webversion.pdf

http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring05/atmo589/articles/Dwyer_et_al_GRL_Jan_2005.pdf

CitarUna pequeña matización: la radiación gamma, por definición, es emitida como consecuencia de procesos nucleares (normalmente desintegraciones radiactivas). La "radiación de frenado" producida en el frenado de electrones son siempre rayos X,  (si los electrones tienen energía suficiente, los rayos X resultantes pueden tener energías mayores que los rayos gamma).

Tienes razón. Me refería al aspecto energético de la radiación que alcanza energías del orden de MeV equivalentes a los rayos gamma.

Saludos.

Gracias Triskelo y Gluón por compartir vuestra información.

Parece que nuestra atmósfera sigue dando sorpresas e interrogantes a los físicos.

Saludos.