¿Por qué los rayos zigzaguean? La ciencia desvela el misterio

Estas moléculas y electrones se acumulan para crear un paso corto altamente conductivo, que brilla intensamente durante una millonésima de segundo.

Al final del paso, hay una pausa a medida que vuelve a ocurrir la acumulación, seguida de otro salto de luz brillante. El proceso se repite numerosas veces.

El aumento de los fenómenos meteorológicos extremos hace que la protección contra rayos sea cada vez más importante. Saber cómo empiezan a formarse los rayos significa que podemos descubrir cómo proteger mejor los edificios, los aviones y las personas.

Además, si bien el uso de compuestos ecológicos en las aeronaves aumenta la eficiencia del combustible, aumentan el riesgo de daños por rayos. Por lo tanto, necesitamos buscar una mayor protección.

Los relámpagos ocurren cuando las nubes cargadas con un potencial eléctrico de millones de voltios se conectan a tierra.

Una corriente de miles de amperios fluye entre la tierra y el cielo, con una temperatura de decenas de miles de grados.

Las fotografías de rayos revelan innumerables detalles que no se observan a simple vista. Suelen ser cuatro o cinco «líderes» débiles que salen de la nube. Están ramificados y zigzaguean en un camino irregular hacia la tierra.

El primero de estos líderes en tocar el suelo inicia el cerrojo. Los otros líderes entonces se extinguen.

Hace cincuenta años, la fotografía de alta velocidad reveló una complejidad aún mayor. Los líderes avanzan desde la nube hacia abajo en «pasos» de unos 50 metros de largo.

Cada paso es brillante durante una millonésima de segundo, pero luego hay una oscuridad casi total. Después de otras 50 millonésimas de segundo, se forma un nuevo paso al final del anterior, pero los otros pasos permanecen oscuros.

¿Por qué hay estos pasos? ¿Qué sucede en los períodos de oscuridad entre los pasos? ¿Y cómo se pueden conectar eléctricamente los escalones a la nube sin una conexión visible?

Las respuestas a estas preguntas radican en comprender qué sucede cuando un electrón cargado de energía golpea una molécula de oxígeno. Si el electrón tiene suficiente energía, sacude la molécula, que se encuentra en un estado llamado delta-singlete.

Este es un estado «metaestable», lo que significa que no es perfectamente estable, pero normalmente no cae a un estado de menor energía durante unos 45 minutos.

El oxígeno en este estado delta-singlete separa los electrones (necesarios para que fluya la electricidad) de los iones de oxígeno negativos. Luego, estos iones son reemplazados casi inmediatamente por electrones (que tienen una carga negativa), y se vuelven a unir a las moléculas de oxígeno.

Cuando más del 1% del oxígeno en el aire está en estado metaestable, el aire puede conducir electricidad. Y los pasos de radio ocurren cuando se crean suficientes estados metaestables para separar una cantidad significativa de electrones.

Durante la parte oscura del paso, aumenta la densidad de estados metaestables y electrones. Después de 50 millonésimas de segundo, el escalón puede conducir electricidad, y el potencial eléctrico al final del escalón aumenta hasta aproximadamente el de la nube, produciendo un nuevo escalón.

Las moléculas agitadas creadas en los pasos anteriores forman una columna a la nube. Toda la columna es entonces eléctricamente conductora, sin necesidad de campo eléctrico y con poca emisión de luz.

Comprender la formación de rayos es importante para los proyectos de protección de edificios, aviones y también para las personas. Es raro que un rayo golpee a las personas, pero los edificios son objetivos frecuentes, especialmente los edificios altos y aislados.

Cuando un rayo cae sobre un árbol, la savia en su interior hierve y el vapor resultante acumula presión, agrietando el tronco. Asimismo, cuando cae un rayo sobre un edificio, el agua de lluvia que se ha filtrado en el hormigón hierve. La presión puede hacer que una sección del edificio explote, creando el riesgo de colapso.

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

Actualmente, los pararrayos de Franklin se requieren en edificios altos e iglesias, pero lo que no está claro es cuántos se necesitan en cada estructura.

Además, hay cientos de estructuras desprotegidas, incluidas las cubiertas de refugio en los parques. Estas estructuras suelen estar hechas de acero galvanizado altamente conductivo, que atrae los rayos, sostenido por postes de madera.

En Australia, la nueva versión de los estándares requeridos para la protección contra rayos recomienda que estos refugios estén conectados a tierra.

*John Lowke es profesor e investigador de física en la Universidad de Australia Meridional.