SOBRE NUBES Y RAYOS
Material elaborado por Gustavo Wilches-Chaux como parte de un proceso de acompañamiento al IDIGER para la consolidación de conceptos relacionados con gestión del riesgo y adaptación al cambio climático
La atmósfera es uno de los
sistemas concatenados del planeta. Otros son la hidrósfera (o hidrosfera), la litósfera (o litosfera), la criósfera (escarcha, hielo, en general agua congelada) y, por supuesto, la biósfera, que en últimas surge de la interacción
de todos los anteriores y a la cual pertenecen –o pertenecemos- todos los
ecosistemas y los seres vivos que formamos parte de ellos.
El concepto de sistemas
concatenados reemplaza al de “capas de la Tierra”, que daba la falsa imagen de
que todos estos sistemas se encontraban superpuestos paralelamente unos sobre
otros, como en una lasaña o en una torta de galletas.
Realmente estos sistemas de la
Tierra se entrelazan unos con otros, de la misma manera que, por ejemplo, en
cada organismo humano el sistema circulatorio y el nervioso y el digestivo y el
inmunológico –y el afectivo- se entrelazan unos con otros y todos dependen de
todos.
En la atmósfera
encontramos aire (que es una mezcla de muchos gases), agua en distintas formas
o estados, y también partículas sólidas de variados tamaños, además de
múltiples formas de energía (todas derivadas de la energía solar) que generan
dinámicas entre todos los “actores” atmosféricos.
Unos de esos actores son las
nubes. Se encuentran en la troposfera, que es esa porción de la atmósfera que
va desde el suelo y la superficie de los cuerpos de agua, incluido el mar,
hasta más o menos 10 a 12 kilómetros de altura. En la troposfera, como su
nombre lo indica, ocurren esos cambios permanentes a través de los cuales se
expresan el clima y el tiempo (el tiempo meteorológico, no el cronológico).
De
qué están hechas las nubes
Contrariamente a lo que se
suele creer, las nubes no están hechas de vapor de agua sino de millones de
gotas de agua líquida y en algunos casos de millones de cristales de hielo,
esto dependiendo de la temperatura del lugar de la atmósfera en donde se
forman.
Cuando el agua se evapora como
consecuencia del calor del Sol, las moléculas de vapor de agua ascienden y se
agrupan alrededor de granos de polvo, sal, ceniza, polen y otras partículas
sólidas, llamadas núcleos de condensación.
Cuando la temperatura alcanza lo que los meteorólogos llaman punto de rocío, el vapor se condensa y
se convierte en gotas de agua microscópicas. Si la temperatura es mucho menor
(más fría) se convierte en minúsculos cristales de hielo. Unas y otras son tan
pequeñas, sin embargo, que su peso (fuerza con que la gravedad de la Tierra las
atrae) no alcanza a superar la resistencia del aire y por eso permanecen
suspendidas en la atmósfera. Cuando el peso de las gotas de agua o de los
cristales de hielo vence la resistencia del aire, se precipitan en forma de
lluvia, de granizo o de nieve.
El 22 de Marzo en horas de la tarde cayó una fuerte granizada sobre el centro y sur de Bogotá. Estas pueden ser las nubes que la produjeron
Fotos de la granizada
Fotos de la granizada
¿Cuánto
pesa una nube?
De acuerdo con
Peggy LeMone, investigadora del National Center for Atmospheric Researchde Estados Unidos "una clásica nube cumulus tiene
una densidad de medio gramo por metro cúbico. El tamaño promedio de una cumulus
es de 1km de largo y al ser, por lo general, cuerpos relativamente cúbicos,
entonces asumamos que ese mismo kilómetro lo tiene de profundidad y de altura. Así que, en este
caso, el ejemplar promedio tendría un volumen de alrededor de mil millones de
metros cúbicos. Ya teniendo la densidad y el volumen podemos calcular cuánta
agua está contenida en esa nube, lo cual, en nuestro caso, serían 500 mil
kilos. Es decir, cuando te colocas debajo de una nube suave y acolchonada,
básicamente tienes arriba de ti 500 toneladas de agua."
La masa de agua y hielo
contenida en una nube es enorme, pero está repartida en un volumen tan grande
que su densidad es muy baja. Por eso las nubes flotan en el aire, hasta el
momento en que, como se afirmó arriba para cada gota o cristal de hielo
individual, se precipitan en forma de lluvia, de granizo o de nieve.
Un
gran dispositivo eléctrico llamado atmósfera
A medida que ascienden las
moléculas de agua en forma de vapor y que las gotas de agua y los cristales de
hielo se juntan y se desplazan al interior de las nubes, se van cargando de
electricidad.
Normalmente nos damos cuenta
de que el aire está cargado de electricidad
estática cuando saltan chispas al tocar la chapa de la puerta de un carro o
al rozarnos con otra persona que lleva un saco de lana. Eso sucede a todo lo
alto y ancho de la atmósfera.
Por alguna razón que los
científicos que estudian las nubes todavía no entienden muy bien, en las partes
altas de las nubes suelen acumularse cargas eléctricas positivas, mientras que
en las partes bajas se acumulan cargas negativas.
Al “salto” entre unas cargas y
otras se le da el nombre de voltaje o
diferencia de potencial. Estamos
familiarizados con este fenómeno a través de las pilas o baterías, de las cuales
decimos que están “cargadas” cuando se mantiene un desequilibrio o diferencia
de potencial alto entre el polo positivo (+) y el polo negativo (-) de la pila.
Cuando los polos se equilibran, decimos que la pila está descargada. Cuando
juntamos un cable conectado al polo positivo de una pila cargada, con otro
conectado al polo negativo, salta una chispa entre los dos.
Existe, sin embargo, un dispositivo eléctrico mucho más parecido a lo
que sucede en una nube en la cual se encuentran sectores cargados positivamente
y sectores cargados negativamente, separados entre sí por capas de aire, que es
un material aislante. O lo que sucede entre unas nubes y el aire que las
circunda, o entre unas nubes y otras, o entre las partes bajas de las nubes
(donde se acumulan cargas negativas) y la superficie terrestre donde se
acumulan cargas positivas, separada también de la nube por una capa aislante de aire. Ese dispositivo se llama
condensador o capacitor.
La principal diferencia entre
una pila y un condensador o capacitor es que en la primera la carga depende de
reacciones electroquímicas, mientras que en el segundo depende de que el
dispositivo esté conectado a un circuito. (Aquí donde me ven, yo aprendí esto por allá en 1970 cuando estudié Radio y Televisión por correspondencia en Hemphill Schools).
En la atmósfera el “circuito”
lo conforman los dos o más sectores con cargas eléctricas distintas, ya se
encuentren estos al interior de una misma nube, entre dos nubes, entre una
nube y el aire circundante o entre la nube y el suelo.
Cuando la acumulación de
cargas opuestas entre los dos sectores es tan grande que la atracción eléctrica
es capaz de vencer la capacidad aislante del aire, salta una chispa enorme y
compleja: el RAYO.
“La física de un rayo es bastante complicada, pero en resumen un rayo
(una ruptura dieléctrica) sucede cuando la diferencia de potencial eléctrico
entre la nube y el suelo alcanza las decenas de millones de voltios. Y, aunque
parece que el rayo sale de la nube hacia el suelo, en realidad sale tanto desde
la nube como desde el suelo. Las corrientes eléctricas durante un rayo medio
son de unos 50.000 amperios (aunque pueden alcanzar unos cientos de miles de
amperios). La potencia máxima durante un rayo medio es de un billón
(1012) de vatios. Sin embargo esto solo dura unas pocas decenas de
microsegundos.”
Walter
Lewin, “Por amor a la física”. Editorial DEBATE, Barcelona 2012. Página 162.
Nota de Gustavo Wilches-Chaux: en el texto original dice “…entre la nube y la
Tierra”, pero en todos los casos me tomé la libertad de sustituir “Tierra” por
“suelo”, por cuanto todo lo que sucede en la atmósfera forma parte de la
Tierra.
Hablamos arriba de “chispa
enorme y compleja” porque “la descarga comienza de forma gradual e
imperceptible desde la nube en dirección al suelo. Entonces el rayo regresa
desde el suelo por el mismo camino, visible en forma de resplandor. En un solo
relámpago pueden darse más de uno de estos rayos secundarios. El lapso de
tiempo entre cada uno de ellos es tan pequeño que el ojo humano sólo puede
detectar un único destello. Cada uno de esos rayos no dura más de una fracción
de segundo”.
Bruce
Buckley, Edward J. Hopkins y Richard Whitaker, “Meteorologia”, Libros Cúpula,
Grupo Editorial CEAC. A., Barcelona 2004. Página 121.
¿Para
qué sirven los rayos en la biosfera?
Todo lo que ocurre en la
biosfera, ese conjunto de todos los ecosistemas del planeta que le otorga a la
Tierra el carácter de ser vivo, tiene una razón de ser. De hecho, desde que el
planeta estaba en formación hace unos 4.500 millones de años, los rayos han
cumplido una función especial en la formación de las condiciones que,
aproximadamente 500 millones de años después, condujeron a la aparición de la
Vida. Pero ese es un tema en el cual no vamos a detenernos por ahora.
Basta decir que el enorme
calor que produce un rayo (cerca de 20.000 grados Celsius) es uno de los responsables
de la de la conversión del oxígeno gaseoso (O2) en ozono (O3),
un gas cuya importancia para la vida es bien conocida.
Así mismo, los rayos cumplen
un papel importante en la fijación de nitrógeno gaseoso en compuestos
nitrogenados (combinaciones de nitrógeno con oxígeno gaseoso) que puedan ser
utilizados por las seres vivo.
No en vano en la mitología
griega le daban el nombre de Amaltea –el mismo nombre de la cabra que crió a
Zeus-Júpiter- a “la fertilidad que queda en la Tierra después de las tempestades”.
Curiosamente dos
“estructuras” de la biosfera se encargan de ese proceso de fabricación de
compuestos nitrogenados: los rayos y las raíces de las leguminosas, asociadas a
bacterias nitrogenantes. Ambas, a pesar de encontrarse a tanta distancia en términos
de fenómenos de la biosfera, se asemejan en su forma ramificada.
¿Por
qué son peligrosos los rayos para los seres humanos?
La pregunta parece
innecesaria, pues obviamente una descarga eléctrica de la magnitud de la que
genera un rayo, acompañada de los efectos de una elevación de temperatura como
la que acompaña a ese fenómeno, posee un gran poder destructivo, no solamente
para el ser vivo (persona, animal o árbol) que eventualmente sea azotado por un rayo, como para muchos
bienes muebles e inmuebles y para muchas obras de infraestructura. Una gran
parte de los incendios forestales de origen no antrópico son desencadenados por
rayos (recordemos que estos incendios naturales forman parte del ciclo de
algunos ecosistemas).
En la memoria reciente de los
colombianos se encuentra todavía la tragedia que a principios de Octubre de
2014 generó sobre la comunidad indígena Wiwa de la Sierra Nevada de Santa
Marta, una tormenta eléctrica en la que se registraron cerca de 3.000 rayos.
Reseñas periodísticas de la tragedia de la comunidad Wiwa:
Reseñas periodísticas de la tragedia de la comunidad Wiwa:
Hoy se registran en la Tierra
cerca de 16 millones de tormentas eléctricas anuales, más de 43.000 diarias,
1.800 por hora que producen 100 rayos por segundo, es decir, más de 8 millones
al día. (Walter Lewin, 2012).
Estudios recientes de la
Universidad de California indican que como consecuencia del cambio climático y
debido al incremento de las tormentas, se calcula que la cantidad de rayos en
la atmósfera puede aumentar un 50%.
Esto, aun sin el incremento
previsto como consecuencia del cambio climático, obliga a redoblar esfuerzos
para reducir la vulnerabilidad humana y de los entornos humanizados, frente a
las tormentas eléctricas.
Existen, como en casi todo lo
que se relaciona con gestión del riesgo y adaptación al cambio climático, dos
tipos de estrategias complementarias. Unas, las “duras”, consistentes en aplicaciones
tecnológicas (en este caso equipos que contribuyan al conocimiento del riesgo y
a la reducción de la vulnerabilidad física) y otras consistentes en
comportamientos humanos tanto frente al llamado “ordenamiento territorial” como
frente a las conductas cotidianas.
El pararrayos
El dispositivo más obvio y de
eficacia comprobada para reducir la vulnerabilidad frente a los rayos, es el
pararrayos, cuya invención se atribuye a Benjamín Franklin en
1753, que consiste básicamente en una varilla de material conductor (cobre,
bronce o similar) conectado a tierra.
A partir de los párrafos
anteriores debe haber quedado claro que ese conjunto complejo de descargas
eléctricas en varias direcciones que englobamos bajo el nombre de RAYO,
constituye un diálogo entre dos
sectores poseedores de cargas eléctricas opuestas.
Franklin y otros
investigadores del mundo, descubrieron lo que hoy se conoce como “efecto
punta”, en virtud del cual “las cargas alrededor de un conductor no se
distribuyen uniformemente, sino que se acumulan más en las partes afiladas.”
Básicamente la existencia de
un dispositivo como este en una construcción, en un poste o sobre cualquier
objeto alto, facilita entonces el flujo de la descarga eléctrica entre el suelo
y la nube y viceversa, lo cual le otorga a esa descarga la posibilidad de fluir por el camino más fácil, sin tener
que hacerlo a través de objetos que puedan resultar gravemente afectados.
Así mismo, afirman algunos
estudiosos del tema, “la densidad de carga en la punta del pararrayos es
tal que ioniza el aire que lo rodea, de modo que las partículas de aire
cargadas positivamente son repelidas por el pararrayos y atraídas por la nube,
realizando así un doble objetivo […] Esto produce una compensación del potencial eléctrico al ser atraídos esos iones
del aire por parte de la nube, neutralizando en parte la carga. De esta forma
se reduce el potencial nube-tierra hasta valores inferiores a los 10000 V que
marcan el límite entre el comportamiento dieléctrico y el conductor del aire, y
por tanto previenen la formación del
rayo.”
En cualquier caso, el cable a tierra envía la descarga al suelo, reduciendo su impacto
potencial sobre las estructuras que deben ser protegidas.
En resumen, de acuerdo con lo anterior, el
pararrayos tiene un doble efecto: mitigar o reducir las condiciones que
favorecen la descarga eléctrica y conducir directamente esa descarga al suelo
cuando no haya logrado evitar que se produzca.
El pararrayos protege un área tridimensional (un volumen geométrico) delimitada por un cono
cuyo vértice se encuentra en la punta de la varilla y cuya dimensión depende de
las características de la misma y en general del sistema empleado.
Existen otros sistemas de protección basados en el
principio de la llamada “jaula de
Faraday” en virtud del cual un campo electromagnético se distribuye sobre
la superficie de una malla o estructura metálica extendida alrededor del objeto
que se desea proteger, sin que los efectos del mismo logren afectar el interior
de la misma.
Por esa razón, al menos teóricamente, los pasajeros
de un avión o de un automóvil con carrocería metálica, resultan a salvo en caso
de que un rayo impacte sobre la superficie de uno de estos vehículos.
Medidas
no estructurales
·
“Ordenamiento territorial”:
consiste en conocer las características de un territorio específico con
respecto a las tormentas eléctricas, o sea la propensión a los rayos a impactar en ese territorio. Entre
otros factores, esa propensión puede tener relación con el tipo de yacimientos
minerales que pueden existir bajo el suelo.
Como en otros casos, más que de “ordenar” un
territorio que en este aspecto ya está “ordenado” por los rayos y por las
características topográficas,
del suelo y del subsuelo, se trata de organizar las actividades humanas de
manera que se eviten ciertas instalaciones o actividades en lugares
especialmente expuestos a los efectos nocivos de las tormentas eléctricas. Y
así mismo, saber en dónde es necesario aplicar prioritariamente medidas
tecnológicas tipo pararrayos.
Como
resultado del cambio climático puede cambiar esa propensión, por lo cual
conviene monitorear cuidadosamente el territorio en cuanto a este aspecto hace
referencia.
Sistemas de alerta temprana: sistemas
que combinen capacidad tecnológica para pronosticar con precisión la ocurrencia
de tormentas eléctricas en un territorio, con capacidad de respuesta
institucional y social frente a dichos pronósticos. Ver informe en El Nuevo Siglo
Conductas individuales y sociales adecuadas: conocer,
por ejemplo
-
Cómo debe actuar y qué debe evitar una persona que
se encuentre en campo abierto o en la ciudad cuando se presente una tormenta (o
cuando existan indicios de que se pueda presentar). Hacia dónde debe dirigirse;
dónde debe y no debe buscar protección, qué debe hacer con los equipos de
comunicación (teléfonos celulares) y otros equipos electrónicos que lleve
consigo;
- Qué hacer con electrodomésticos y otros equipos que
tenga en su casa o lugar de trabajo;
-
Como deben comportarse las personas que se
encuentren en reuniones masivas (eventos deportivos o similares, salidas o
entradas a establecimientos educativos;
-
Qué hacer si va en un vehículo (bus, carro, moto,
bicicleta)
Una combinación efectiva de todas estas estrategias
puede ayudarnos a convivir sin traumatismos con esta dinámica de la naturaleza
que, como tantas otras dinámicas, se está transformando como consecuencia del
cambio climático.
POR EL CUAL SE ESTABLECEN LINEAMIENTOS PARA LA GESTIÓN DEL RIESGO POR TORMENTAS ELÉCTRICAS EN EL DISTRITO CAPITAL
posted by GUSTAVO WILCHES-CHAUX at 12:01 p.m.
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