¿Qué hacer en caso de tormenta?
En el número anterior (es decir, "Elhuyar. Ciencia y Técnica" 76, octubre 1993), "Electricidad atmosférica. En el artículo titulado "El rayo y otros" vimos los fenómenos electrostáticos en la atmósfera, y en esta ocasión hablamos sobre todo de los rayos y las protecciones.
Estructura de las nubes de truenos. Origen y evolución
Para comprender el comportamiento de los ataques de truenos y la distribución de cargas eléctricas, partimos de la explicación de su estructura general, en la que la estructura mecánico-termodinámica es fundamental.
Las nubes de los ataques de truenos están dispuestas por habitaciones, cada una de ellas puede ser considerada casi de forma independiente, y lo que ocurre en cada una de ellas es similar. Imaginemos, por tanto, una habitación así y analicemos su evolución temporal. A este respecto, en la figura 6 se muestran esquemáticamente tres etapas de esta evolución, representando la fase inicial de crecimiento, la sala madura y la fase final. Empecemos por una breve descripción de estas tres fases.
En la primera fase la nube se hincha y crece, con corrientes ascendentes en el aire, que a su vez absorben el aire circundante. Además, a medida que asciende, el aire sube a mayor velocidad. Al llegar a la fase de madurez, la nube es mucho mayor y más alta que al principio, y dentro de ella las corrientes se organizan en direcciones diferentes. En un lateral se genera una corriente fuerte a la baja que favorece la caída de gotas de agua gruesas o granizo, provocando una lluvia intensa en forma de tormenta. En esta época se producen principalmente los rayos. De la misma manera, poco antes se producen olas de aire fresco alrededor de la superficie.
Con el tiempo, a medida que se acabe la vida de la nube, la agresión va perdiendo fuerza, y en la tercera fase las corrientes de aire dentro de la estancia se calientan, con tendencia a la baja, y la lluvia se va atenuando. Por arriba la nube se dispersa en forma de yunque. Llega el final del ataque de truenos.
En esta evolución se encuentran aspectos de interés físico, en concreto la explicación mecánico-termodinámica de la generación de corrientes y la distribución de la carga eléctrica. De la primera no vamos a hablar mucho aquí, ya que de ello se puede encontrar información suficiente en los trabajos de referencia. En segundo lugar, se dice que la estructura de las cargas eléctricas en el caso de la sala adulta de ataques de truenos es similar a la representada en la figura 7.
Se observa que la parte superior está cargada positivamente, mientras que la inferior es mayoritariamente negativa. Sin embargo, en la parte inferior hay una pequeña región en la que hay una carga positiva y además está situada en la comarca de lluvias intensas. No se entiende muy claro cuál es el funcionamiento de esta región.
Mecanismo de distribución de cargas
Se puede preguntar cómo se puede producir la estructura eléctrica de las nubes aparecidas en el apartado anterior. Por un lado, podemos decir que esta estructura está suficientemente probada mediante mediciones, pero por otro lado, para explicar el mecanismo que genera esta distribución, no sólo la teoría, sino también la inadecuación.
La carga en la parte inferior de los ataques de truenos es muy elevada, lo que puede dar lugar a una diferencia de potencial entre la nube y la corteza terrestre de 20, 30 o 100 millones de voltios, muy superior a los 0.4 millones de voltios desde la capa de 50 km hasta la superficie terrestre. Esta enorme diferencia de potencial es la que provocará los rayos, transportándose a la superficie terrestre 20~30 coulomb en cada descarga de este tipo. Se puede preguntar cuánto tiempo tarda el sistema de la sala de nubes en recuperarse.
Las mediciones indican que la media es de 5 segundos o menos. Es decir, pasado este tiempo el sistema está listo para una nueva descarga, aunque el proceso es suficientemente aleatorio, ya que la geometría y las condiciones de la nube van cambiando constantemente. Sin embargo, esto es lo que hace una corriente de 4 amperios en el mecanismo de la nube de truenos, para lo que las cargas internas positivas y negativas deberán distribuirse a este ritmo, lo que requerirá una teoría adecuada.
Según los datos de la experiencia, es evidente que en el caso de las agresiones de trueno existe una fuerte relación entre las lluvias torrenciales y la actividad eléctrica, y que los fenómenos eléctricos aparecen coincidiendo con el inicio de la fuerte precipitación. Existen también una serie de requisitos que cualquier teoría de la distribución de cargas debe cumplir:
- La carga arriba positiva y abajo negativa.
- La distribución de cargas debe ser capaz de explicar el valor de ciertas amperios.
- El proceso también debe producirse por debajo del punto de congelación del agua y debe ser compatible con la precipitación en estado sólido.
Para explicar éstas y otras, se han inventado diferentes teorías, pero ninguna da una explicación completa y adecuada. Sin embargo, vamos a hacer una declaración de este tipo de teoría, con la intención de explicar cómo pueden pasar las cosas, pero consciente de que no es total. Esta teoría es la teoría de Wilson
En la teoría de Wilson se analiza el comportamiento de la gota de agua que cae dentro de un campo eléctrico (sea cual sea la congelación). Por la causa del campo, la gota tendrá un momento dipolar inducido, siendo la parte inferior positiva y la superior negativa, como se muestra en la figura 8. A continuación se considera que existen en el aire los iones grandes anteriormente mencionados. Durante la caída de la gota, al acercarse a los iones, los iones positivos se repelerán por la parte inferior y difícilmente podrán acercarse a la parte superior de la gota, ya que las gotas caen rápidamente y los iones grandes funcionan lentamente. Por otra parte, al aproximarse, la gota atraerá iones negativos y éstos pueden quedar atrapados, cargando negativamente la gota. De esta manera se desplazaría la carga negativa hacia la parte inferior de las nubes, explicando de alguna manera la estructura de la nube.
Sin embargo, hay problemas que no se han aclarado con esta teoría. En primer lugar, la distribución de cargas en las nubes de truenos es muy elevada y el suministro de iones atmosféricos simples es insuficiente. Por esta razón Wilson y otros han propuesto una fuente adicional de iones que puede resumirse de la siguiente manera. Una vez iniciada la distribución de cargas, se observan zonas eléctricas muy violentas que permiten que el aire quede fácilmente ionizado. Si hay puntos muy cargados (por ejemplo gota pequeña) puede producirse una “descarga de cepillos”.
Debido al fuerte campo eléctrico, los electrones se aceleran, chocando con los átomos, extrayendo más electrones y dejando cargas positivas detrás. Esto puede dar lugar a una especie de reacción de cadenas localmente, produciendo grandes captaciones de iones. Es posible que en el interior de las nubes ocurra algo así, de manera que quede expuesto el problema del suministro de iones. Pero la verdad es que no está muy claro si las cosas realmente pasan así.
En cualquier caso, la explicación anterior nos permite comprender, al menos en parte, la generación de electricidad en la atmósfera. Así suceden las cosas más o menos dentro de una nube de truenos. Por la causa de las corrientes de aire, los iones y las gotas de agua o las partículas de hielo quedan repartidas las cargas positivas y negativas.
Las cargas positivas se conducen a la parte superior de la nube y las negativas a la inferior, pasando estas últimas a través de los rayos hacia la superficie terrestre, pasando las cargas positivas a las capas superiores en el desmantelamiento de la nube. Por otro lado, esta separación entre las capas atmosféricas generadas en los ataques de truenos va descargándose lentamente en regiones con buen tiempo, gracias a la conductividad de los iones emitidos al aire por rayos cósmicos y otros medios. Este proceso general, en equilibrio dinámico, se está produciendo de forma continua a través del planeta Tierra.
Explicación del proceso de rayos
Para explicar el proceso de los rayos, citaremos el caso del rayo más común, que se produce entre la parte baja negativa de la nube y la región positiva de la superficie terrestre, para comprender cualitativamente los procesos que se producen en los distintos tipos de rayos.
Como ya se ha indicado, en este caso la acumulación de carga negativa en la parte inferior de las nubes de trueno, pasa a la superficie terrestre por medio de rayos. ¿Cómo? En las siguientes líneas trataremos de describir el caso más común.
La parte inferior de la nube es mucho más negativa que la superficie terrestre que la tiene enfrente, por lo que los electrones se aceleran hacia el suelo. No obstante, el rayo se canaliza por una vía muy definida, según el proceso posterior. En primer lugar surge algo que se llama “paso líder”. Cada uno de ellos es de forma recta, tiene una longitud aproximada de 50 m y está cargado negativamente de la nube. Cada paso se realiza de forma muy rápida (por ejemplo, la sexta parte de la velocidad de la luz) y luego se detiene, con unos 50 microsegundos, para dar un paso más, cambiando de dirección, haciendo a todos un camino similar al de la figura 9.
Una vez que el paso líder ha llegado al suelo, existe un camino como un “hilo conductor” para hacer pasar la carga de la nube al suelo. De este modo, se produce el rayo visible, es decir, el rayo se desplaza hacia arriba, tal y como se muestra en la figura 10, ya que la descarga se inicia al contacto con el suelo. Por ello se denomina iluminación de devolución. Por término medio, la corriente de descarga del rayo puede alcanzar un pico de 10.000 A, por supuesto en muy poco tiempo, transportando hasta 20 coulomb.
La energía utilizada en el proceso se transforma principalmente en un ruido, una radio y un calor, llamado trueno, que se escucha poco después de la luz sonora. A pesar de que el pico de temperatura alcanzable en el canal creado por el paso líder es muy alto (unos 30.000 ºC), la duración de la cumbre es de unos pocos milones de segundo, lo que hace que la ropa de las personas afectadas por el rayo apenas se queme. Sin embargo, en algunos casos es capaz de crear chispas para empezar a quemar bosques. Por otro lado, este supercalentamiento del aire genera las ondas de choque que generan los truenos.
No obstante, no es necesario finalizar el proceso anterior con la única descarga existente. Al desaparecer el atestado de devolución, otro líder va hacia abajo, esta vez sin escalas, y vuelve la descarga. El proceso puede repetirse varias veces hasta el próximo rayo.
En la descripción anterior no se han tenido en cuenta elementos singulares, como por ejemplo la consideración de la superficie plana. No hemos dicho nada sobre las formas geométricas que se pueden crear localmente y sobre la influencia local que pueden tener los objetos punzantes (construcciones altas, árboles solos, cumbres montañosas...) a la hora de dirigir el rayo hacia uno u otro punto. Pero de eso hablaremos en los siguientes apartados.
Estructura de pararrayos
Franklin fue el primero que sugirió la idea de preparar pararrayos, con el fin de probar el proceso de electrificación de las nubes de trueno y después encauzar la corriente bertática sin peligro. La forma de proteger la casa mediante el pararrayos se muestra esquemáticamente en la figura 11. En él se puede observar que el pararrayos está conectado al suelo mediante un cable o lámina metálica (normalmente de cobre). La idea es muy sencilla, es decir, poner la vía adecuada para que el rayo pueda llegar, de forma que la corriente pueda arrancar sin molestias en los demás.
En definitiva, el pararrayos sirve para encauzar los rayos que caerían a su alrededor y sirve para llevar la corriente directamente y sin peligro al suelo. Parece que envolvería las que caerían en el radio de su altura y, según los autores, con el vértice en la punta protegería el cono inferior de 45º.
Por otro lado, en la actualidad, la instalación eléctrica de los hogares es un problema que se tiene muy en cuenta y que la mayoría de los aparatos se realizan con conexión a tierra, para lo cual se coloca el tercer hilo conectado al suelo.
Medidas de seguridad ante ataques de truenos
De acuerdo con lo señalado en los apartados anteriores, hay que tener cuidado en caso de ataques de truenos, a ser posible para alejar la influencia de los rayos sobre las personas. Las siguientes son recomendaciones recogidas en el Diccionario de Meteorología publicado por UZEI, clasificadas en dos grupos. La idoneidad de estas medidas puede ser discutida en función de lo anteriormente expuesto.
A) Si se encuentra en Etxebarne
- Permanecer en el interior de la vivienda sin salir. No acercarse a puertas y ventanas abiertas. Evitar el contacto con aparatos eléctricos innecesarios y con objetos metálicos como horno, tubería o sumideros.
- No utilizar aparatos eléctricos durante el ataque de truenos.
- En caso de agresión de truenos no se utilizará el teléfono, salvo para solicitar asistencia. El rayo puede entrar por el hilo telefónico.
- Tampoco hay que salir a recoger la ropa que se está secando.
B) Si se encuentra al aire libre
- Dejar de trabajar y alejarse de los útiles metálicos. Tractores y otros útiles de cultivo están en contacto con el suelo y son frecuentes los rayos.
- Meter en el coche, si es posible, o si está dentro, no salir. Los coches ofrecen buena protección contra los rayos.
- Busca la protección en el hogar. Si no hubiera casas en los alrededores, se mete en una cueva o trinchera o se guarde bajo una masa arbórea.
- El que esté con la mochila, que la deje en el suelo y arrodillada sobre ella. La mochila actúa como aislante.
- Si el pelo se levanta, la piel se hormiguea o por la noche se ve en los objetos metálicos una luz azul (el Santelmo claro), el rayo está a punto de caer. Tumbarse cuanto antes en el suelo.
Nota: Las personas que han sufrido un rayo pueden resucitar muchas veces realizando respiración boca a boca, masaje cardiaco y respiración artificial prolongada.
En cuanto a la nota final, se puede citar como ejemplo el caso de Toy Trice que aparece en la imagen de la izquierda. A pesar de los rayos caídos en el fútbol americano, a pesar de que el caparazón se agujerea y se incendian las prendas, y a pesar de que él se queda muerto sin respiración, se puede decir que con la respiración artificial y otras ayudas se “resucitó”. Y es que, para los que saben de este problema, con una rápida y adecuada labor de socorro a tiempo, la mayoría de los afectados pueden sobrevivir. Repitiendo las palabras irónicas del profesor Martín Uman: «En realidad, el rayo no es capaz de matar a las personas». Sin embargo, lamentablemente, este mismo verano murió un niño de trece años víctima del rayo de Etxarri Aranatz. Los primeros auxilios llegaron demasiado tarde.
Por otro lado, se cree que muchos árboles afectados por el rayo sobreviven sin sufrir grandes daños. Así ocurrió en el caso del árbol de la imagen. Este rayo cayó en 1984 y el árbol sigue vivo. La mayoría de las veces la corriente pasa por la superficie de sus troncos sin deteriorar la estructura interna. No obstante, hay árboles que han quedado calcinados.
Zu idazle
Zientzia aldizkaria
