El RAYO, UN FENÓMENO METEOROLÓGICO DE MUY ALTA TENSIÓN

Casi todas las descargas de rayos, se inician en el interior de las nubes en su primera fase de desarrollo, trasportando en función de su trayectoria,  cargas negativas hacia la nube cuando el trazado es ascendentes o cargas  positivas a tierra cuando el trazado es descendente conocido popularmente como rayo negativo. En su  trayectoria, el rayo transporta gran cantidad de energía que se transforma en el momento y punto del impacto, en forma de flujos de corrientes eléctricas de MUY ALTA TENSIÓN. Como término de valores  medios, se tienen registrados en los últimos años, valores de 50.000 Amperios. Los rayos pueden descargar intensidades de 5.000 amperios, a valores máximos superiores a los 450.000  Amperios en una sola descarga. Durante millonésimas de segundo, la tensión  en el punto de impacto, pasan de valores naturales de 120 V/m ( baja tensión), a valores que sobrepasaban los 15 millones de voltios ( alta tensión ), con temperaturas  térmicas superiores a los 8.000 grados. 

Los rayos, causan en todo el mundo, daños valorados en miles de millones de euros en la industria y  numerosas muertes. En España, entre 1941 y 1979, los rayos acabaron con la vida de más de 2.000   personas, el Instituto Nacional de Meteorología de España dispone desde 1992 de una moderna red que  permite detectar los rayos que caen en todo el territorio nacional.

TEORÍA DEL PROCESO FÍSICO DEL RAYO.

durante la formación de las tormentas, las tensiones eléctricas en tierra aumentan proporcionalmente a la generación de cargas que se producen en el interior de la nube (cúmulo-nimbus) a causa de una constante de generación de cargas dentro de la nube; el proceso de generación de cargas en el espacio tiempo, depende en gran parte, de la termodinámica del lugar, la contaminación atmosférica, la aculturación del vapor de agua y la influencia electrodinámica del entorno por influencias de la actividad solar o radiaciones terrestres. Estos fenómenos, crean una excitación de las moléculas de agua que arrancan los procesos termodinámicos, con sus correspondientes  cambios físicos de de estado, gaseoso, liquido o solido. El proceso, arranca, generando la ascensión y transformación del agua en  estado vapor, pasando de ser gaseoso , a  estado líquido al bajar las temperaturas   (micro gotas de agua), después a sólido (cristales de hielo);  en su transformación física en solido, los  cristales de hielo empiezan a reagruparse y aumentar de volumen y peso venciendo la fuerza de  gravedad e invirtiendo la trayectoria ascendente en descendente, a partir de entonces el proceso de  cambio de estado se invierte, pasando de sólido a líquido y a gaseoso. En cada cambio de estado se ceden o adquieren cargas, este proceso se repite una y otra vez mientras exista termodinámica en la zona.

La generación y separación de cargas.

La nube, en su proceso de formación de cargas, crea grandes campos eléctricos a su paso, en referencia al suelo, que aparecen por inducción por la  diferencia de potencial entre la ionosfera y la tierra. El valor de tensión, pasa de un valor estable natural de   120V/m a nivel de mar, a  valores críticos de 45.000 Voltios/m. Durante el proceso  de la  tormenta, estos valores  modifican las propiedades del aire que lo transforman en un  dieléctrico. 

El rayo, es la reacción puramente eléctrica, causada por la saturación de cargas electrostáticas del lugar,  generadas  por acumulación capacitiva en la nube. Durante unas fracciones de segundo, la energía electrostática acumulada en la nube se convierte  en una  descarga eléctrica (el relámpago visible y la interferencia de ruido), energía acústica (trueno) y finalmente, calor. El fenómeno rayo se representa aleatoria-mente entre nube-nube, nube-tierra o tierra-nube a partir de un potencial eléctrico (10/45 kV), siempre entre dos puntos o zonas de influencias de diferente polaridad e igual potencial.

La intensidad de carga del rayo.

El valor de carga de un rayo,es proporcional al tiempo de exposición de la nube en el suelo, su velocidad, la resistencia dieléctrica del aire, y la resistencia o conductividad de los materiales expuestos y del terreno. A mayor densidad de carga de la nube, mayor inducción electrostática en tierra, y mayor probabilidad de generar un líder en las estructuras. Durante la presencia de diferencia de potencial entre la nube y la tierra, aparecen  flujos de transferencia de cargas en las zonas, y en función de la resistencia del aire o materiales expuestos, se representa en tierra en una sombra eléctrica mente  cargada.

La sombra eléctrica de alta tensión.

Es un fenómeno que viaja  por el suelo siguiendo las formas de las estructuras mas sobresalientes del plano de tierra, a una velocidad y trayectoria que depende de la nube,  es la zona donde los impacto de rayo se pueden representar. Su frente de actuación se sitúa normalmente, por delante de la nube y en sus frentes laterales, donde predomina un fuerte intercambio de partículas cargadas desde la base de la nube al suelo y viceversa, causado por las corrientes internas. Dentro de la influencia de la sombra eléctrica y por donde ésta viaja, se genera el efecto punta.

EL efecto de la ionizacion, puede ser estática en un punto, en movimiento en el mismo punto o viajar por el suelo, por estructuras o incluso por encima de las personas. En función de la dirección y velocidad de la nube, se representa en la parte alta de las estructuras en forma de chispas que salen de los elementos expuestos, las formas redondeadas expuestas a un campo eléctrico de alta tensión, generan el efecto visual de muchas chispas en su corona inferior o superior llamado entonces “efecto corona” , son diminutas chispas eléctricas que aparecen en la parte superior de los materiales, generalmente es de color verde-azul y con fuerte olor a ozono (ionización del aire), el efecto punta aparece siempre dentro de la sombra eléctrica. Los marineros llaman también al efecto punta, fuego de San Telmo, el motivo es que el efecto  punta se representa durante la tormenta en lo más alto del mástil, sea   de madera o metal, el movimiento constante de la nave a causa del temporal genera un movimiento aleatorio del mástil referente al aire dentro de un campo eléctrico natural de alta tensión. Este efecto de movimiento lateral y el desplazamiento del mástil, transforma visualmente  las chispas del efecto punta en un efecto óptico de fuego llegando a formar incluso efecto corona. Cuando se visualiza este fenómeno (el campo eléctrico-atmosférico de alta tensión supera los 1.500 voltios), este fenómeno se puede apreciar y sentir peligrosamente en nuestro cuerpo debido al  campo eléctrico de alta tensión presente.

Evolución  electro química del rayo (ionización),

A partir del campo de alta tensión  presente, un electrón ioniza un átomo produciendo un segundo electrón, y éste, a su vez, junto con el electrón original puede ionizar otros átomos, produciendo así, una avalancha que aumenta exponencial-mente en función de la carga (guía escalonada). Las colisiones no resultantes en un nuevo electrón provocan una excitación que deriva en el fenómeno luminoso. A partir de ese momento, el aire cambia de características gaseosas al límite de su ruptura dieléctrica.

El efecto de la ionización en nuestro cuerpo produce un efecto de cosquilleo, que nos puede poner, literalmente, los pelos de punta.  El efecto punta puede aparecer y no siempre transformarse en una descarga de rayo, este fenómeno avisa de la presencia de un campo eléctrico de alta tensión, antes de formarse un rayo en la zona y si persiste en tiempo e intensidad, creará entonces un Líder o trazador y una posible formación y descarga de un rayo.

Guía escalonada, es la formación de un camino electrificado  en el aire que guiará la descarga del rayo desde la nube a tierra. Este fenómeno aparece por  la inducción del campo eléctrico de alta tensión, que polariza y excita las moléculas cambiando su resistencia eléctrica. En función del campo  eléctrico presente, de su constancia y su polaridad, el trazador puede ser ascendente o descendente, para buscar la inter-conexión de ambos puntos de contacto entre la nube y la tierra, y crear un camino dieléctrico predeterminado y  definido por donde circulará la corriente de descarga. El rayo tiende a seguir un camino preparado previamente, donde la concentración de transferencia de electrones superará los 10.000 Culombios por segundos en un punto concreto.

El fenómeno del líder, no es constante ni estable, puede viajar y moverse  en función del desplazamiento de la sombra eléctrica, afectando a todo aquello que se encuentre a su paso. Nosotros nos podemos cruzar temporalmente en su desplazamiento con este fenómeno, sea a pie, en coche o en barco.

La intensidad de la descarga del  rayo, es variable y dependerá del momento crítico de la ruptura dieléctrica del aire entre los dos puntos de transferencia de la carga, así como la facilidad de transporte de la energía  del medio y de la capacidad de absorción o disipación de la zona de impacto en tierra. Como media, se utiliza el valor de 30.000 Amperios de intensidad del rayo, pero podemos afirmar que los valores actuales de media son más altos llegando a superar  los 50.000 Amperios, llegando a valores conocidos de rayos superiores a 350.000 Amperios en una sola descarga.

El aire no es un aislante perfecto, su resistencia dieléctrica es de 3kV /cm. y varía proporcionalmente con la altura y sus condiciones de ruptura  dieléctrica. También variará según el grado de contaminación atmosférica, temperatura, humedad, presión y radiación electromagnética natural o no.

La tensión eléctrica que genera el rayo aparece  antes y durante el proceso de la descarga del rayo,  su valor es proporcional a la resistencia de los conductores que transportan  la corriente de la descarga del rayo a tierra, es decir:  en función de la resistencia de los conductores eléctricos y de la toma de tierra, estos se encargarán de llevar la corriente a tierra en más o menos tiempo, la corriente tendrá un freno o una aceleración a su paso  a  tierra (resistencia) y  por ello aparecerá una tensión temporal  que afectará  en más o menos medida  a los elementos expuestos a una alta tensión, como por ejemplo: Tierra, roca, madera, hierro, árboles, barcos, depósitos de gas,

El sentido de la  descarga del rayo es generalmente descendente en un 80%, su trayectoria es  de  la  nube a la tierra (llamado popularmente rayos negativos), el 10 % son descargas ascendentes de tierra a nube (llamados popularmente rayos positivos) y el resto entre nube y nube o dentro de la misma nube. Las descargas descendentes de los rayos  suelen ser las de más intensidad y más destructivas que las de rayos ascendentes. Éstas efectúan la transferencia de energía en el punto de contacto en el suelo, creando efectos destructores durante la cesión y transformación de la energía en los elementos afectados más cercanos, y efectos electromagnéticos en grandes radios de acción por la propagación del pulso electromagnético. Los  rayos entre nubes generan ruidos y pequeñas averías en componentes electrónicos por acoplamiento, los rayos  Ascendentes generan pocos efectos electromagnéticos  ya que el contacto se efectúa en la nube. En cambio se ha observado que este fenómeno revienta paredes, techos y todo aquello que encuentre a su paso durante su generación y trayectoria ascendente. Los diferentes accidentes observados han demostrado que en el entorno del accidente, los equipos electrónicos; radios, televisores y teléfonos, no han sido afectados aun estando conectados. No se puede garantizar la zona del impacto  del rayo una vez que éste se ha formado eléctrica-mente.  

La trayectoria del rayo puede ser caótica, siempre predominarán los ambientes eléctricos cargados, aunque los estudios del campo eléctrico atmosférico en tierra determinan que la distribución de cargas en tierra no es estática, sino dinámica. Al formarse y generar aleatoria-mente chispas en diferentes puntos geográficos dentro de la trayectoria de la  sombra eléctrica, la intensidad y situación del campo eléctrico cambia radicalmente, pudiendo generar impactos de rayos laterales, con trayectorias laterales, de más de 17 Km. entre los dos puntos de contacto.

Sus efectos térmicos, químicos y electromagnéticos son destructores.  Durante la descarga del rayo se  generan inducciones y acoplamientos en las líneas de transporte  eléctrico y de telecomunicaciones. Como referencia, en cada impacto de rayo en un pararrayos tipo  FRANKLIN, antes, durante y después de  su descarga  a tierra, se generan otros  fenómenos eléctricos, indirectos, que repercuten destruyendo nuestras instalaciones y a las instalaciones de nuestros vecinos,  en un radio de acción proporcional a la intensidad de la descarga que puede alcanzar los 1.500 metros.  Actualmente el rayo aparece repetidamente durante cada tormenta en cualquier período del año.