Sobre la Física del Rayo

Nota: Este documento no constituye propiamente una nueva aportación al conocimiento sobre el fenómeno  del  rayo,  simplemente  es  una  selección  y  traducción  de  algunos  fragmentos importantes  del  libro  FÍSICA  DEL  RAYO  (RAKOV,  2013)  con  la  finalidad  de ayudar a una mejor comprensión y difusión de los principios del fenómeno para los especialistas y público general interesado en este campo.. 

Generalidades

El 90 % o más del total de rayos nube-tierra son negativos (donde se transporta efectivamente hasta el suelo carga negativa) descendentes (donde el proceso comienza en la nube y se desarrolla en la dirección descendente). Existen otros tipos de los rayos nube-tierra que son: los positivos descendentes, negativos ascendentes y positivos ascendentes. También hay rayos bipolares que secuencialmente transfieren a tierra tanto cargas positivas y negativas. Vale la pena señalar que los rayos nube-tierra constituyen sólo alrededor del 25% de la actividad de rayos a nivel del planeta y el 75% restante no involucra a la tierra. Estos últimos se denominan descargas de nubes. Este trabajo se centrará en los rayos negativos nube a tierra.

Transferencia de carga en la nube

La fuente de los rayos generalmente es la nube de tormenta cumulonimbus. Según el modelo tripolar de acumulación de carga, un rayo común de nube a tierra tiene una estructura de carga idealizada formada por tres regiones apiladas verticalmente denominadas: ''P'' para la región de carga positiva, ''N" para la negativa principal y ''LP'' para la pequeña positiva inferior en la base de la nube. Probablemente comienza como una descarga local entre las regiones de carga (LP) y (N). Esta descarga libera electrones en la región N que previamente habían estado unidos a gotas de agua o partículas de hielo. Estos electrones sobrepasan la región LP, neutralizan su pequeña carga positiva y luego continúan su viaje a tierra.

Fig. 1 Procesos que componen una descarga de rayo negativa nube-tierra. Las etiquetas de tiempo bajo los bocetos pueden utilizarse para estimar  las  duraciones  típicas  de  los  procesos  y  los  intervalos  de  tiempo  entre ellos (t = 0 corresponde al inicio del proceso de ruptura preliminar que termina en t = 1 ms). En esta imagen no se representan la corriente continua ni los componentes M. 

El termino rayo se usa para describir un descarga completa, que ocurre en el orden de 0,2 s. Pero un rayo comúnmente está conformado por varias descargas cortas que duran a menos que 1 ms y que se repiten tan rápido que el ojo humano no puede resolver eventos múltiples. Cada rayo típicamente contiene 3-5 descargas, el intervalo observado está de 1-26. En ocasiones, los descargas individuales están lo suficientemente separadas en tiempo que el ojo puede resolverlas y el rayo aparenta parpadear. Aproximadamente la mitad de todas las descargas de rayo a tierra terminan en más de un punto, con una separación espacial entre terminaciones del canal de varios kilómetros.

Fig. 2 

Hay dos procesos principales que comprenden un rayo: el líder y la descarga de retorno; la descarga de retorno ocurre como una secuencia con el líder que le precede. El líder inicial (primera descarga) está precedido por un proceso en el interior de la nube llamado ruptura preliminar. No hay consenso sobre el mecanismo de este proceso. Puede ser una descarga que puentee las regiones de carga negativa principal y positiva inferior.

El líder crea una trayectoria conductora entre la región de carga negativa de la nube y la tierra y distribuye esa carga a lo largo de la misma. La descarga de retorno recorre esa trayectoria desde el suelo hacia la región de la carga de la nube y neutraliza la carga negativa del líder. Por lo tanto, los procesos del líder y de la descarga de retorno sirven para transportar eficazmente la carga negativa de la nube al suelo. El líder que inicia la primera descarga de retorno difiere de los líderes que las inician las descargas de retorno subsiguientes. En particular, el primer líder aparece ópticamente como un proceso intermitente, de ahí el término líder escalonado, mientras que el extremo del líder de la descarga subsiguiente parece moverse continuamente. Este movimiento aparece en las fotografías electrónicas de alta resolución como un "dardo" descendente, de ahí el término líder dardo. La diferencia aparente entre los dos tipos de líderes está relacionada con el hecho de que el escalonado se desarrolla en aire virgen, mientras que el dardo sigue la trayectoria ''pre-acondicionada'' por las descargas precedentes. En ocasiones, un líder subsiguiente exhibe escalonamiento mientras se propaga a lo largo de un canal previamente formado; a esto se le conoce como líder dardo escalonado.

Cuando el líder escalonado descendente se une con la tierra, comienza la primera descarga de retorno. La corriente medida en tierra de la primera descarga de retorno típicamente alcanza un pico de aproximadamente 30 kA en algunos &µs y disminuye hasta la mitad del valor pico en algunas decenas de &µs. La descarga de retorno baja efectivamente a tierra varios coulomb de carga originalmente depositados en el canal del líder escalonado que incluye todas las ramas.

Cuando cesa la primera descarga de retorno, incluyendo cualquier corriente continua asociada y la actividad de descarga en la nube, el rayo puede terminar. En este caso, se denomina rayo de descarga única. Sin embargo, frecuentemente el canal de la primera descarga es recorrido por una o más secuencias de líder dardo/descarga de retorno. Durante el intervalo de tiempo entre el final de la primera descarga de retorno y el inicio de un líder dardo, en la nube ocurren los procesos J (unión) y K. Los procesos K pueden verse como transitorios que ocurren durante el

proceso J más lento. Tanto los procesos J como los K en las descargas de nube a tierra sirven para transportar carga negativa adicional a lo largo del canal existente (o de sus restos), aunque no toda la trayectoria a tierra.

Una vez que la parte inferior del canal del líder dardo se conectada con el suelo, la segunda (o cualquier subsiguiente) descarga de retorno es lanzada hacia arriba, la sirve para neutralizar nuevamente la carga líder. La corriente de la descarga de retorno subsiguiente a tierra típicamente alcanza un valor pico de 10-15 kA en menos de 1 &µs y disminuye al valor a la mitad del valor pico en unas pocas decenas de &µs.

La descarga de retorno de alta corriente calienta rápidamente el canal a una temperatura cercana o superior a 30 000° K y crea una presión en este de 10 atm o más, lo que resulta en la expansión del aire, una radiación óptica intensa y una onda de choque expansiva, convirtiéndose eventualmente en el trueno (onda sonora) que oímos a distancia.

La componente impulsiva de la corriente en una descarga de retorno a menudo es seguida por una corriente continua que tiene una magnitud de decenas a cientos de A y una duración de hasta cientos de ms. Las corrientes continuas con una duración superior a 40 ms se denominan tradicionalmente descargas continuas de larga duración. Entre el 30 y el 50% de todas las descargas negativas nube a tierra, contienen corrientes continuas de larga duración (generalmente después de las descargas de retorno subsiguientes).

Los impulsos de corriente superpuestos a las corrientes continuas, así como las correspondientes mejoras en la luminosidad del canal del rayo, se denominan componentes M. La diferencia entre la corriente de descarga de retorno y la corriente continua está aparentemente relacionada con la fuente de carga que es transportada a tierra por estos dos procesos del rayo. La descarga de retorno elimina la carga que ha sido depositada en el canal por un líder precedente, mientras que la corriente continua está probablemente asociada con las pulsaciones de las regiones de carga fresca en la nube. Se cree generalmente que la duración máxima de la etapa de descargas de retorno es de unos 3 ms. La mayor parte de la carga del líder se almacena en la envoltura radial- corona que rodea al núcleo de canal relativamente estrecho y lleva corriente longitudinal. Se ha estimado que el tiempo de colapso de la carga radial-corona durante el proceso de la descarga de retorno es del orden de 1 ms, consistente con la duración máxima asumida de la descarga de retorno.

Las descargas de rayos causan varios fenómenos ópticos transitorios de relativamente baja luminosidad en el aire despejado entre la parte alta de las nubes (a altitudes cercanas a 20 km) y la ionosfera inferior (a 60-90 km dependiendo de la hora del día). Se han observado seis tipos generales de tales fenómenos, denominados conjuntamente eventos luminosos transitorios (TLEs): duendes rojos (red sprite), aureolas (halos), arrancadores azules (blue starters), chorros azules (blue jets), chorros gigantes (gigantic jets) y elfos (elves). Ellos constituyen un mecanismo para la transferencia de energía de la nube de tormenta a las regiones de la atmósfera entre la parte superior de las nubes y la ionosfera inferior. Los duendes tienen una extensión vertical de decenas de kilómetros y estructuras espaciales complejas.

Iniciación del rayo en las nubes de tormenta

La fuente primaria del rayo es la nube cumulonimbus, comúnmente conocido como nube de tormenta. Los campos eléctricos máximos medidos en estas nubes de tormenta son 1 – 2.105 V/m (el valor medido más alto es 4.105 V/m), que es inferior al de ruptura convencional, del orden de

106 V/m. Se han sugerido dos mecanismos de iniciación al rayo. Uno se basa en la emisión de trazadores positivos a partir de hidrometeoros, cuando el campo eléctrico excede 2,5 – 9,5.105 V/m, y el otro involucra partículas de rayos cósmicos de alta energía y la ruptura de embalamiento que ocurre en un campo crítico, calculado para estar alrededor de 105 V/m a una altitud de 6 km. Cualquiera de estos dos mecanismos permite, en principio, la creación de una región ionizada (''semilla del rayo") en la nube que es capaz de intensificar localmente el campo eléctrico en sus extremidades. Tal intensificación de campo es probable que sea el proceso principal que conduce a la formación (por medio de la ruptura convencional) de un canal de rayo ''caliente'' que se autopropaga.

• Ruptura convencional

De acuerdo con el mecanismo de ruptura convencional, el rayo se inicia a través de la emisión de una corona positiva a partir de la superficie de las partículas de precipitación, altamente deformadas por fuertes campos eléctricos en el caso de gotas de lluvia, acoplado con algún mecanismo mediante el cual se intensifica localmente el campo eléctrico para sostener la propagación de trazadores corona. Los trazadores positivos son mucho más probables que inicien el rayo que los negativos porque pueden propagarse en campos mucho más bajos. Griffiths y Phelps (1976b) describen el escenario hipotético más detallado de la iniciación del rayo a través de la ruptura convencional, quienes consideran un sistema de trazadores positivos que se desarrollan a partir de un punto en un hidrometeoro donde el campo eléctrico supera el valor de inicio de corona de 2,5 – 9,5.105 V/m (2,5 – 9,5 kV/cm). Se supone que los trazadores que se desarrollan forman un volumen cónico que crece longitudinalmente. El campo eléctrico ambiental en la nube de tormenta necesaria para mantener la propagación de los trazadores corona E0, fue encontrado por Griffiths y Phelps (1976a) a partir de experimentos de laboratorio en 1,5.105 V/m (1,5 kV/m) a aproximadamente 6,5 km y 2,5.105 V/m (2,5 kV/cm) a aproximadamente 3,5 km. Si el campo eléctrico ambiental es superior a E0, el sistema de trazadores se intensificará, llevando una cantidad creciente de carga positiva en la base de propagación del cono, que simula las puntas de los trazadores positivos, y depositando una cantidad igualmente creciente de carga negativa en el volumen cónico que representa las trayectorias de los trazadores positivos. Como resultado, se forma un dipolo cónico asimétrico, que presumiblemente puede servir para mejorar el campo eléctrico existente en el vértice del cono que representa el origen de las trazadores positivos sobre la superficie del hidrometeoro. Por otra parte, Griffiths y Phelps (1976b) sugieren que pueden desarrollarse varios sistemas de trazadores cónicos de manera secuencial, pasando cada uno de ellos a sus predecesores, con la finalidad de lograr la intensificación de campo requerida para la ruptura. Para valores representativos del campo eléctrico ambiental y E0 a una altitud de 6,5 km, indican que una serie de tres a siete sistemas de este tipo puede dar lugar a una mejora local del campo eléctrico ambiental hasta 1,5 x 106 V/m (15 kV/cm) en una distancia de unos pocos metros, lo cual es suficiente para asegurar la ruptura dieléctrica y, eventualmente, conducir a la formación del líder escalonado. La cantidad de pasos requeridos para lograr una cierta magnitud de campo depende del valor supuesto del potencial de la punta del trazador. Griffiths y Phelps (1976b) utilizaron para sus cálculos un valor de 10 kV, basado en los resultados de los experimentos de laboratorio registrados por Phelps (1974). Estos cálculos implican una extrapolación de distancias pequeñas (hasta 1 m) utilizadas en los experimentos de laboratorio a distancias relativamente grandes (del orden de 100 m) a las cuales podrían viajar los trazadores en una nube de tormenta.

Loeb (1966) consideró que los trazadores corona positivos se producían a partir de las gotas de agua de lluvia cargadas positivamente contenidas en un paquete de aire que es barrido en dirección ascendente hacia el centro de carga negativo. En este escenario, la formación de trazadores positivos es facilitada por la corriente ascendente que reduce la separación entre las regiones de cargas opuestas en la nube.

Nguyen y Michnowski (1996) consideraron los efectos de muchos hidrometeoros muy próximos en la iniciación del rayo. Su mecanismo hipotético implica un desarrollo de trazadores bidireccionales asistido por una cadena de partículas de precipitación, en oposición al escenario que invoca sólo la propagación de trazadores positivos.

• Ruptura de fuga

Gurevich et al. (1992, 1999) sugirieron que los electrones fugaces pueden desempeñar un papel importante en la iniciación del rayo. Para que un electrón pueda "huir" debe ganar más energía, del campo eléctrico entre las colisiones con partículas de aire, que la que pierde en una colisión. El llamado campo eléctrico de punto de equilibrio, que debe excederse para que ocurra la fuga, depende de la altitud. Este campo se reduce exponencialmente con la altura debido a la disminución de la densidad de moléculas del aire. A las altitudes de 4 – 6 km, el campo eléctrico de punto de equilibrio es de 1,0 – 1,5.105 V/m (1 – 1,5 kV/cm) (Gurevich et al., 2003), que es aproximadamente un orden de magnitud inferior que el campo de ruptura convencional a estas altitudes. La ruptura fugaz requiere la presencia de electrones iniciales con energías superiores a 0,1 – 1 MeV. Estos electrones energéticos se producen en las nubes de tormenta debido a las colisiones de partículas de rayos cósmicos de muy alta energía (1015-1016 eV o mayor) con núcleos atmosféricos. El flujo de partículas con energías = 1016 eV es de aproximadamente 0,1/km2.s (Eidelman et al., 2004, capítulo 24). Por lo tanto, para un área de nube de tormenta de aproximadamente 100 km2, estas pueden ocurrir cada 100 ms. A los electrones energéticos iniciales a veces se les denominan secundarios de rayos cósmicos. Cada partícula de rayos cósmicos de muy alta energía produce 106-107 secundarios (Gurevich y Zybin 2001) en un proceso llamado "ducha extensa de aire " (término utilizado en la física de rayos cósmicos para la "ducha de rayos cósmicos" [Solomon et al (2001, 2002) adicionalmente consideró como fuente de electrones de alta energía a los productos de decaimiento de alta energía emitidos por los radionúclidos atmosféricos.]

Si los electrones energéticos se encuentran en una región de nube de tormenta en la que el campo eléctrico es mayor que el campo de equilibrio local (alrededor de 105 V/m a una altitud de 6 km), pueden escapar. Además, si la región de alto campo eléctrico se extiende a una distancia suficiente (del orden de 1 km), pueden producirse una avalancha de electrones fugaces y una gran cantidad de electrones relativamente lentos (de algunos eV a 100 keV). Si la densidad de electrones lentos alcanza un valor crítico en alguna pequeña región, la conductividad eléctrica en dicha región se convierte en suficientemente alta (del orden de 10 – 4 S/m, Solomon et al., 2001) para formar un parche de plasma alargado. Este conductor alargado (de aproximadamente 10 m de longitud, Solomon et al., 2001), formado y polarizado en &µs (Gurevich y Zybin 2001), puede intensificar el campo eléctrico cerca de sus extremidades a los valores requeridos para la ruptura convencional por medio de avalanchas de electrones de baja energía (menos de 30 eV). Ha habido un debate reciente sobre si puede producirse la cantidad suficiente de electrones lentos para permitir la creación de un parche de plasma con conductividad del orden de 10-4 S/m (Dwyer y Babich 2011, 2012, Gurevich et al., 2012). Obsérvese que la ruptura fugaz iniciada por una

partícula energética de rayos cósmicos (el electrón energético inicial es aportado por una fuente externa) se denomina ruptura fugaz relativista, en contraposición a la denominada descomposición en fuga fría.

De acuerdo con Gurevich et al. (2003), la formación de una región ionizada por intensificación de campo (''semilla del rayo'') mediante una partícula de rayos cósmicos con una energía de 1016 eV por el mecanismo de ruptura fugaz está asociada con un impulso de corriente de una amplitud de 100 – 200 A. Se predice que este impulso de corriente genera un impulso bipolar de campo eléctrico con un ancho total característico de 0,2-0,4 &µs (Gurevich et al., 2002). Gurevich et al. (2003) presentaron impulsos de campo eléctrico de anchura totales de fracciones de microsegundo, medidos en la estación de rayos cósmicos de la montaña de Tien-Shan a distancias de 5 – 20 km de las descargas de rayos que fueron interpretadas como indicativas de fuertes impulsos de corriente asociados con la formación de la "semilla del rayo". Téngase en cuenta que estos ''impulsos de iniciación de rayos'' son más de un orden de magnitud inferior que los impulsos de ruptura inicial más cortos, incluyendo los impulsos bipolares estrechos que tienen anchos totales característicos de unas pocas decenas de microsegundos.

Rakov (2006) presentó impulsos de campo eléctrico en la escala de fracciones de microsegundo medidos en la Florida (a nivel de mar) que son similares a los ''impulsos de iniciación de rayos'' predichos y observados en una estación de gran altura por Gurevich et al. (2002, 2003). Sin embargo, estos impulsos en la escala de fracciones de microsegundo ocurrieron antes y después del primer impulso de ruptura inicial ordinario de la descarga de rayo (típicamente decenas de microsegundos). No está claro cómo la ocurrencia de múltiples impulsos en la escala de fracciones de microsegundo puede estar relacionada con el mecanismo de ruptura fugaz de iniciación del rayo propuesto por Gurevich et al. (1999, 2002).

Carga Positiva Inferior en la nube y tipo de rayo

Se cree que la iniciación del primer líder escalonado de una descarga de nube a tierra está precedida por la denominada ruptura preliminar (PB) que puede producir una secuencia de impulsos característicos de campo eléctrico (tren de impulsos PB). El porcentaje de descargas que muestran trenes de impulsos detectables de ruptura preliminar varía desde menos del 20% hasta el 100% (Nag y Rakov 2009). Los impulsos más grandes del tren pueden exceder en magnitud la siguiente primera descarga de retorno. Nag y Rakov (2009) interpretaron que el tren de impulsos PB se genera cuando un canal cargado negativamente se extiende hacia abajo desde la región de carga negativa principal y encuentra una región de carga positiva inferior apreciable (LPCR). En esta vista, cuando el LPCR es pequeño, no se produce un tren de impulsos PB significativo.

Aunque el LPCR puede servir para intensificar el campo eléctrico en la parte inferior de la región de carga negativa y facilitar así el lanzamiento de un líder cargado negativamente hacia tierra, la presencia de LPCR excesivo puede impedir la ocurrencia de descargas negativas de nube a tierra "bloqueando'' la progresión del líder descendente negativo de alcanzar la tierra (Nag y Rakov 2008). Nag y Rakov (2009) dedujeron cuatro escenarios conceptuales de rayos que pueden surgir dependiendo de la magnitud del LPCR, ilustrado en la Fig. 3.

Cuando la magnitud de LPCR es anormalmente grande, dígase, comparable en magnitud con la de la carga negativa principal, como se muestra en la Fig. 3a (izquierda), se espera que se

produzcan las llamadas descargas intranube (IC) invertidas. En este escenario, un líder negativo descendente probablemente cambiaría su dirección de propagación a predominantemente horizontal, interactuaría con el LPCR y sería incapaz de forjar su trayectoria a tierra. El resultado es una descarga IC invertida. En la Fig. 3a (a la derecha) se muestra un ejemplo de la apariencia del campo eléctrico esperado de dicha descarga, que consta un tren de impulsos PB seguido de un cambio de campo estático de unas decenas de milisegundos de duración, indicativo de una descarga IC invertido (Nag y Rakov 2008). Si el canal del rayo emerge de la nube, puede verse como una "descarga en aire" o incluso como un rayo de la araña, si se desarrolla a una gran distancia cerca de la base de la nube.

La figura 3b (izquierda) muestra el escenario en el que la magnitud del LPCR es algo menor que en el escenario (a). De forma similar, un canal de líder cargado negativamente que se extiende verticalmente desde la región de carga negativa principal se convertiría en predominantemente horizontal, pero eventualmente haría terminación en tierra. En este caso, la descarga puede ser vista como una descarga híbrida (una IC seguida de una descarga de nube a tierra (CG)). La apariencia del campo eléctrico esperado para este tipo de descarga se muestra en la Fig. 3b (derecha), que consta de un tren de impulsos PB seguidos por una característica de cambio de campo de una descarga de nube que dura aproximadamente 50 ms, seguida por la primera forma de onda de retorno de una descarga CG.

Si la magnitud de la carga positiva inferior con relación a la carga negativa principal es aún menor, como se muestra en la Fig. 3c (izquierda), el líder negativo descendente atravesaría la región de carga positiva y continuaría propagándose en una dirección predominantemente vertical a tierra. La apariencia de campo eléctrico esperado que se producirá en este caso se muestra en la Fig. 3c (derecha). Exhibe un tren de impulsos PB y una forma de onda de líder escalonado seguido por la primera forma de onda de retorno (RS). La duración del líder, que se encuentra como el intervalo de tiempo entre PB y RS, es de unos 20 ms.

La figura 3d (izquierda) muestra el escenario cuando el LPCR es insignificante. Este escenario es similar al escenario (c), con la excepción de que el LPCR no desempeña esencialmente ningún papel en la iniciación del líder negativo. Se espera que la apariencia del campo eléctrico producida en este caso sea la de una secuencia de líder escalonado/descarga de retorno no precedida por un tren detectable de impulsos de PB, como se muestra en la Fig. 3d (derecha).

Fig. 3 Los paneles de la izquierda muestran esquemáticamente cuatro tipos de rayos que pueden surgir dependiendo de la magnitud de la LPCR. La configuración de carga en cada uno de los escenarios sólo representa su perfil vertical (no se muestran límites laterales). Las flechas indican la dirección de propagación del líder negativo. En el panel derecho se muestran los correspondientes ejemplos de variación del campo eléctrico esperado. Las formas de onda del campo son de cuatro diferentes tormentas registradas a unas decenas de km en el Observatorio de Rayos en Gainesville (Florida), 

utilizando la misma instrumentación con una constante de  tiempo de decadencia de 10 ms. PB tren de impulsos de ruptura preliminar, RS forma de onda de retorno. 

Descargas de rayo compactas intranube

Hay un tipo especial de rayos que se cree ser el productor natural más intenso de radiación HF- VHF (3-300 MHz) en la Tierra. Se conoce como Descarga Compacta de Intranube (CID). Las CID reciben su nombre debido a su extensión espacial relativamente pequeña (cientos de metros). Tienden a ocurrir a altas altitudes (sobre todo a más de 10 km), parecen estar asociadas con una fuerte convección (sin embargo, incluso la convección más fuerte no siempre produce CID), tienden a producir menos luz que otros tipos de descargas de rayo y producen simples impulsos de campo eléctrico VLF-LF (pulsos bipolares estrechos o NBPs) que tienen anchuras totales típicas de 10-30 &µs y amplitudes del orden de 10 V/m a 100 km, que es similar o mayor que las descargas de retorno en los rayos nube a tierra. Como una ilustración de su intensidad VLF-LF, 48 CIDs examinado en detalle fueron registradas por 4-22 (11 en promedio) estaciones de la Red Nacional de Detección de Rayos de Estados Unidos (NLDN), cuya línea de base promedio es de 300-350 km.

La mayoría (aproximadamente el 73%) de los CID parecían ocurrir aislados de cualquier otro proceso de rayo (dentro de la longitud del registro, que era de 500 ms con un disparo previo de 100 ms), mientras que alrededor del 24% se encontró que ocurría antes de, durante o después de la descarga nube–tierra o el rayo "normal" de la nube. Alrededor del 18% se asoció con nubes de nubes y 6% con las de tierra. Alrededor del 4% de los CIDs fueron aislados de un rayo "normal", pero ocurrieron en parejas con tiempos de separación de algunas decenas a unos pocos cientos de ms.

Líder escalonado descendente negativo

Después del evento de transferencia de carga en la parte inferior de la nube, los electrones liberados se dirigen a tierra. Según Uman, el vehículo mediante el cual estos electrones se mueven de la nube a la tierra se llama un líder escalonado, o sea, en pasos rápidos y luminosos que tienen alrededor de 45 m de longitud. Cada paso ocurre en menos de 1×10-6 s, y el tiempo entre cada paso es de aproximadamente 50 x 10-6 s. El líder escalonado, moviéndose a una velocidad de unos 322 km/h, tarda alrededor de un 0,01 s en viajar de la nube a la tierra. El proceso líderes escalonados en los rayos ocurre en una escala de tiempo de menos de 1 &µs aproximadamente. Debido a ello, nunca se ha resuelto en registros ópticos.

El líder escalonado tiene fotográficamente entre 0,9 y 9 m de diámetro. Sin embargo, la mayor parte de la corriente fluye por un núcleo conductor estrecho que tiene menos de 25 mm y ese gran diámetro observado, se debe a una corona eléctrica luminosa que rodea el núcleo conductor.

Por otra parte, parece existir una similitud cualitativa entre el líder escalonado negativo del rayo y el líder escalonado negativo del arco largo de laboratorio. Este último tipo ha podido estudiar mucho mejor mediante el uso de cámaras electrónicas de conversión de imágenes conjuntamente con la medición de corriente a través del espacio de aire. El líder negativo del arco largo exhibe varios pasos cuando la longitud del especio es de algunos metros. Por ejemplo, un espacio placa-varilla de 6 m es puenteado por un líder negativo en 3-5 pasos. Vale la pena señalar que el escalonamiento se observa en los líderes de rayos negativos, independientemente de si son iniciados en la nube (líderes descendentes) o en el objeto conectado a tierra (líderes ascendentes). Este hecho sugiere que el mecanismo de formación de un paso está determinado

principalmente por los procesos en la punta del líder y en el canal de guía, en lugar de por la fuente (carga de nubes para el rayo y generador de impulsos para los arcos largos de laboratorio).

El desarrollo del líder escalonado negativo en un arco largo de laboratorio, basado en una descripción dada por Gorin et al. (1976), se ilustra en la Fig. 4 que muestra esquemáticamente un disparo instantáneo (izquierda) y una imagen óptica resuelta en el tiempo (superior derecha) que incluye una Corona inicial impulsiva del electrodo negativo de alta tensión y los dos primeros pasos, junto con la corriente correspondiente a través del espacio (abajo a la derecha). La instantánea muestra el canal principal del líder y tres ramas del líder que parecen se extienden desde la punta de líder. Cada rama del líder tiene una formación de plasma, denominada tallo espacial, y líderes positivos (dirigidos hacia arriba) y negativos (dirigidos hacia abajo). La corona impulsiva inicial, un sistema de canales filamentosos ramificados visto en la imagen resuelta en el tiempo, sirve para calentar el aire cerca del electrodo de alta tensión y formar la sección inicial del canal de plasma del líder. Este proceso produce el primer impulso en el registro de corriente (inferior derecha), los otros dos impulsos de corriente están asociados con los dos pasos del líder. La sección inicial del canal del líder se extiende desde el electrodo de alta tensión hacia el espacio. La punta del líder es más brillante que el canal detrás de ella y se muestra como una línea sólida ligeramente curvada y con pendiente negativa. Las trazadores positivos se desarrollan hacia la punta del líder (estos se muestran en la imagen resuelta en el tiempo por líneas sólidas más largas y positivamente inclinadas) y los trazadores negativos se desarrollan en el espacio (se muestran por líneas cortas con pendiente negativa).

Fig. 4 Ilustración del desarrollo de líder escalonado negativo en un arco largo de laboratorio, basada en la descripción dada por Gorin et al. (1976). Se representa esquemáticamente por una imagen instantánea (izquierda)  y  una  imagen  óptica  resuelta  en  tiempo  (superior  derecha)  incluyendo una corona impulsiva inicial desde el electrodo negativo de alta tensión y los dos primeros pasos, junto con la correspondiente corriente a través del espacio (inferior derecha). 

Proceso de unión del rayo

• Líder ascendente

Generalmente se supone que el proceso de unión empieza cuando se inicia un líder ascendente en respuesta al líder descendente que se aproxima al suelo o, más probablemente, a la punta de un objeto sobresaliente del terreno, llevando alrededor de 5 Coulomb de carga, se induce una gran carga positiva debajo de este y se produce una descarga ascendente de unos 30-50 m de longitud para alcanzarla. Es posible que se lancen dos o más líderes ascendentes desde el suelo hacia el líder descendente, quizás en respuesta a diferentes ramales del líder descendente. La posición de la descarga ascendente determina realmente el punto de tierra en el cual el rayo terminará, por lo que los pararrayos se utilizan para iniciar esta descarga con la finalidad de ofrecer cierto control sobre el impacto. Cuando se produce el contacto con el líder escalonado, se desplaza a tierra una descarga de alta corriente y luminosidad que viaja de regreso al líder en la descarga de retorno. A este líder ascendente que hace contacto con un ramal de un líder descendente se llama líder ascendente de conexión. Se supone que la denominada fase de ruptura comienza cuando las zonas de corriente de relativamente baja continuidad delante de las dos puntas del líder de propagación se encuentran para formar una zona común de trazadores. La extensión acelerada subsiguiente de los dos canales de plasma de relativamente alta conductividad de uno hacia otro ocurre dentro de la zona común de trazadores. La fase de ruptura puede verse como una operación de cierre de un conmutador que sirve para lanzar dos ondas de descarga de retorno desde el punto de unión entre los dos canales de plasma.

• Descarga de retorno

La descarga de retorno descendente rápidamente alcanza el suelo, y la resultante descarga ascendente reflejada desde el suelo se acopla con la onda de descarga de retorno ascendente desde el punto de unión. Esto último se debe a que la onda reflejada desde el suelo se propaga en el canal acondicionado por la descarga de retorno y, por tanto, es probable que se mueva más rápido que la descarga ascendente desde el punto de unión que se propaga a lo largo del canal acondicionado por el líder. Cuando las ondas rebotan entre los extremos del canal de retorno, se forma una sola onda ascendente. Este movimiento de cargas tierra presenta una apariencia deslumbrante que llamamos relámpago. El ojo no es lo suficientemente rápido para resolver el movimiento de la descarga de retorno y parece como si todos los puntos del canal se iluminan simultáneamente. Por lo tanto, el proceso de unión del rayo implica dos canales de plasma que crecen uno hacia el otro, inicialmente en aire (fase líder ascendente de conexión) y luego dentro de la zona de trazadores (fase de ruptura). Es una cuestión de definición si la onda de la descarga de retorno bidireccional de muy corta duración debe considerarse parte del proceso de unión o de la descarga de retorno.

• Líder dardo

Después de la descarga de retorno, el rayo puede terminar, sin embargo, "la mayoría de los estos contienen tres o cuatro descargas, algunos hasta veinte o treinta". Si hay suficiente carga disponible en la nube para producir otra descarga, desciende por el canal de la descarga de retorno anterior un líder continuo llamado líder dardo, depositando carga negativa a lo largo de su trayectoria." Los líderes dardos generalmente depositan menos carga que los escalonados, y como resultado, los descargas subsiguientes bajan menos carga a tierra y tienen corrientes menores que los primeros."

– La Habana (Cuba), septiembre de 2017 –

Oficina 228, Edificio Santiago de Cuba

Centro de Negocios Miramar, Playa, La Habana

Autor:

Ing. Frank Amores Sánchez.

Departamento Técnico

Sucursal en Cuba de Aplicaciones Tecnológicas. S. A.