Cómo la ciencia desentraña el misterio de los rayos y las tormentas eléctricas

el misterio de los rayos

El misterio de los rayos. Imagínese que está tumbado un hermoso día en una verde colina viendo las nubes pasar. Seguramente esté pensando en nubes de tipo cúmulo, esas que parecen suaves bolas de algodón. Su aspecto es de lo más inocente. Sin embargo, pueden convertirse en los más formidables cumulonimbos. De esos monstruos salen los rayos y los truenos. Son poderosos, destructivos e intensamente misteriosos.

También hay indicios de que cada vez son más frecuentes. Por ello, entender su funcionamiento —y su efecto en el mundo de los seres humanos, incluido cómo construimos los edificios y los tendidos eléctricos— es más importante que nunca.

Muchas nubes se forman cuando el aire caliente asciende a grandes alturas, donde se enfría y se condensa en gotitas de agua. Las tormentas se producen cuando una nube que se está formando por este proceso crece y se agranda muy rápidamente, absorbiendo cada vez más vapor de agua. A ello le suelen seguir precipitaciones y fuertes ráfagas de viento. Y, por supuesto, los rayos.

Aunque aparentemente son un fenómeno bastante escaso, ha tenido lugar unas 700 veces —en la Tierra caen unos 100 rayos por segundo— en alguna parte del planeta en el tiempo que usted ha tardado en leer esta frase.

Al parecer, los rayos y las tormentas son cada vez más habituales, y hay indicios de que la tendencia continuará como consecuencia del calentamiento global. En 2014, David Romps, catedrático de la Universidad de California en Berkeley (Estados Unidos),elaboró un modelo atmosférico que predecía que los rayos aumentarían un 12% por cada grado de aumento de la temperatura de la Tierra.

Diversas señales indican que esto podría estar sucediendo ya. En Holanda, varios investigadores han observado el número de incendios en los bosques de Alaska y Canadá originados por un rayo y han descubierto que ha aumentado entre un 2% y un 4% anual a lo largo de los últimos 40 años.

Los rayos son algo que no acabamos de entender. Si, por ejemplo, filmásemos la caída uno de ellos y la proyectásemos a cámara superlenta, veríamos que avanza a saltos. Según Alejandro Luque, del Instituto de Astrofísica de Andalucía en Granada, se detiene un instante a intervalos antes de seguir avanzando. Ignoramos por qué ocurre esto. Luque comenta que hay unos cuantos artículos sobre el tema, pero, en realidad, ninguna teoría aceptada.

Los espectros rojos

El investigador cree que puede tener algunas de las claves del problema gracias a sus estudios sobre un fenómeno eléctrico todavía más increíble pero que se conoce mejor: los espectros rojos.

Los espectros rojos son inmensos chorros de luz coloreada que se forman a entre 50 y 90 kilómetros de altura sobre la superficie de la tierra, mucho más arriba que las tormentas. Durante años se dudó de su existencia, ya que son difíciles de ver desde el suelo. Luque los ha estudiado principalmente observando fotografías tomadas por aviones de investigación.

Los rayos y las tormentas son cada vez más habituales y hay indicios de que la tendencia continuará como consecuencia del calentamiento global.

Aunque son menos conocidos que los rayos, la física de los espectros rojos es más fácil de estudiar porque a tales alturas hay poco aire, de manera que las descargas eléctricas se producen más lentamente y a temperaturas más bajas. Los rayos originan temperaturas superiores a las de la superficie del Sol. En cambio, los canales de descarga de los espectros rojos tienen “más o menos la misma temperatura que el aire que los rodea”, afirma el investigador.

Los canales de los espectros rojos están formados por filamentos diminutos llamados “serpentinas”. En la propagación de estas, algunos de sus puntos resplandecen con más brillo y persistencia. Luque explica que, en estos fenómenos eléctricos, el intenso resplandor se debe al comportamiento de los electrones. En algunas zonas de la serpentina, los electrones se adhieren a moléculas de aire, lo cual incrementa la fuerza del campo eléctrico produciendo una luz más intensa.

Los saltos

Esta explicación no admite discusión, asegura Luque, pero lo que no sabemos es si un proceso análogo podría explicar —como sospecha el astrofísico— por qué los rayos avanzan a saltos. En el contexto de estos últimos, a alturas inferiores hay más moléculas de aire, y es posible que la incorporación de los electrones a ellas se produzca de una manera algo diferente, dando como resultado el patrón “a saltos”. Luque quiere verificarlo con su proyecto eLightning.

El investigador y su alumno Alejandro Malagón-Romero formularon la hipótesis en 2019. Ahora su equipo trabaja en el desarrollo de un modelo computacional de los rayos para comprobar si el proceso que predicen puede explicar el comportamiento discontinuo.

Saber por qué los rayos avanzan a saltos no va a ayudarnos a conseguir que sean menos peligrosos, pero Luque opina que entender mejor el fenómeno quizá sea útil en muchos otros campos. Por ejemplo, las descargas pueden formarse alrededor de los tendidos eléctricos. En consecuencia, hay que diseñarlos para reducir el riesgo al mínimo. Estas descargas también se utilizan en la industria, por ejemplo, en el tratamiento de los gases residuales e incluso en las fotocopias. Entender mejor cómo funcionan podría tener como resultado una mejora de los diseños.

Puede parecer que los rayos son el arma más peligrosa del arsenal de una tormenta eléctrica, pero estas tempestades también pueden desatar vientos extraordinariamente fuertes.

El tiempo atmosférico de Europa está dominado por sistemas meteorológicos conocidos como ciclones extratropicales. Se trata de corrientes de aire en espiral que traen consigo viento y lluvia cuando atraviesan una zona. En una ciudad europea se producen por término medio entre 70 y 90 al año, y los científicos conocen bien su funcionamiento. Estas tormentas pueden ser fuertes, pero no siempre lo son.

Cada vez que se construye un edifico en Europa, los arquitectos tienen que asegurarse de que es capaz de soportar vientos fuertes, y el modelo que utilizan para ello se basa en los ciclones extratropicales. El problema es que no tienen en cuenta los vientos considerados poco frecuentes, como los que acompañan a las tormentas eléctricas.

Ciclones y tormentas

Para entender por qué esto es importante hay que conocer la diferencia entre ciclones y tormentas. En primer lugar, las tormentas son más intensas que los ciclones. Mientras que un ciclón puede durar tres días, una tormenta puede haber pasado en 20 minutos. Por eso, en vez de con un viento moderado y continuo, nos encontramos con una tanda de ráfagas muy poderosas.

En segundo lugar, más importante aún es que la fuerza del viento varía dependiendo de la altura. Los ciclones son más fuertes cuanto mayor es la altura. Las tormentas, por su parte, suelen originar vientos que arrancan a unos 100 metros de altura y soplan hacia abajo con más fuerza a medida que descienden. “Un viento normal sopla en paralelo a la superficie de la tierra, mientras que una tormenta sopla hacia abajo. Es totalmente distinto”, explica Giovanni Solari, profesor de la Universidad de Génova, en Italia.

Tomando estas consideraciones en conjunto, prosigue Solari, el resultado es que la ingeniería se esfuerza excesivamente en los edificios más altos, principalmente los rascacielos, y demasiado poco en las construcciones y estructuras de menor altura, como las grúas de los astilleros.

Los 200 metros superiores de un rascacielos de 300 metros probablemente no reciban el empuje de una tormenta, pero los diseñamos como si fuesen a recibirlo porque nuestro modelo da por sentado que, a más altura, más fuerte es el viento. “Estamos construyendo edificios demasiado seguros”, concluye. Por otro lado, una tormenta puede volcar una grúa, ya que produce el viento más fuerte a nivel del suelo.

El objetivo de Solari con su proyecto Thunderr es corregir esta tendencia desarrollando un modelo de viento de tormenta que se pueda utilizar para ayudar a diseñar edificios. De este modo, aumentaría la eficacia de las construcciones y se reducirían sus costes. El primer paso fue basarse en una tormenta artificial creada en uno de los túneles de viento más avanzados del mundo, en la Universidad de Ontario, en Canadá, y elaborar un modelo de la misma. Según Solari, esa fase ya ha concluido, y su modelo logró reflejar con verosimilitud cómo funcionan las tormentas artificiales. Pero eso era la parte fácil.

Actualmente, el ingeniero ha pasado a modelizar tormentas reales, que varían enormemente entre sí. Como apoyo, él y su equipo han construido una red de 45 torres meteorológicas alrededor de la costa mediterránea, diseñadas para recopilar datos de los vientos producidos por las tormentas.

“Antes se pensaba que las tormentas eléctricas eran poco frecuentes”, observa Solari. “La razón era que no podíamos verlas. La red ha generado una base de datos con 250 registros de tormentas. Ahora el plan es ajustar el modelo inicial para que tenga en cuenta todas esas tormentas diferentes y sea verdaderamente representativo”.

Autor: Caleb Davies*

*Este artículo ha sido originalmente publicado en inglés en Horizon, la revista de investigación e innovación de la UE. La investigación de este artículo fue financiada por la UE.

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