¿Cómo funcionan los relámpagos y las tormentas eléctricas?

Los investigadores empiezan a descifrar este misterio. Los relámpagos no son continuos, sino que proceden por pasos, pero aún no sabemos por qué.

Tormenta y árbol
iStock

Imagina que estás tumbado en una colina verde viendo las nubes pasar en un hermoso día. Las nubes en las que probablemente estás pensando son cúmulos, esas que recuerdan a bolas esponjosas de algodón. Parecen bastante inocentes, pero pueden crecer hasta convertirse en el más formidable cumulonimbo, la nube de tormenta.

Estos son los monstruos que producen truenos y relámpagos. Son poderosos, destructivos e intensamente misteriosos. También pueden ser cada vez más comunes, lo que hace que la comprensión de su funcionamiento - y sus efectos en el mundo humano, incluyendo la forma en que construimos edificios o tendidos eléctricos - sea más importante que nunca.

Muchas nubes se forman cuando el aire caliente y húmedo se eleva a grandes altitudes donde se enfría y se condensa en gotas de agua. Las tormentas eléctricas se producen cuando una nube que se forma de esta manera se hace rápidamente muy grande, absorbiendo más y más vapor de agua. Casi siempre siguen las precipitaciones y los fuertes vientos racheados. Y, por supuesto, los relámpagos. Los relámpagos pueden parecer bastante raros, pero han ocurrido unas 700 veces - tenemos alrededor de 100 golpes por segundo - en algún lugar alrededor del globo en el tiempo que te ha llevado leer esta frase.

Los relámpagos y las tormentas eléctricas parecen ser cada vez más comunes y hay indicios de que esto continuará como resultado del calentamiento global. En 2014, el profesor David Romps de la Universidad de California, Berkeley, EE.UU., desarrolló un modelo atmosférico que predijo que los rayos aumentarán un 12 % por cada grado de calentamiento de la Tierra. Hay algunas pruebas de que esto podría estar sucediendo ya. Investigadores en los Países Bajos han observado el número de incendios iniciados por relámpagos en los bosques de Alaska y Canadá y han encontrado que estos han aumentado entre un 2 % y un 4 % anual durante los últimos 40 años.

No entendemos bien los relámpagos. Si, por ejemplo, se filma un rayo y se reproduce a cámara superlenta, se percibirá que el rayo avanza por pasos. Se detiene un rato a intervalos antes de seguir adelante, dice el Dr. Alejandro Luque del Instituto de Astrofísica de Andalucía en Granada. Pero no sabemos por qué sucede esto. Dice que hay algunos documentos al respecto, pero esencialmente no hay teorías aceptadas.

Los sprites

El Dr. Luque cree que podría tener algunas ideas sobre el problema gracias a su trabajo estudiando un fenómeno eléctrico aún más increíble y mejor entendido: los sprites.

Los sprites son enormes chorros de luz de colores que se producen entre 50 y 90 kilómetros sobre el suelo, mucho más alto que las tormentas eléctricas. Su existencia fue puesta en duda durante años ya que son difíciles de ver desde el suelo. El Dr. Luque los estudió principalmente mirando las fotos tomadas por los aviones de investigación.

Aunque son menos familiares que los relámpagos, la física de los sprites es más fácil de estudiar porque, a una altitud tan elevada, hay poco aire y por lo tanto las descargas eléctricas se producen más lentamente y a temperaturas más frías. Los relámpagos crean temperaturas más calientes que la superficie del sol. Pero el Dr. Luque dice que los canales de descarga de los sprites tienen "más o menos la misma temperatura que el aire circundante".

Los canales de los sprites están hechos de muchos filamentos diminutos llamados streamers. Y a medida que las serpentinas se propagan, algunos puntos dentro de ellas brillan con más fuerza y persistencia. En los sprites, el brillante resplandor se debe al comportamiento de los electrones, dice el Dr. Luque. En algunas zonas de la serpentina, los electrones se adhieren a las moléculas de aire y esto aumenta la fuerza del campo eléctrico, produciendo una luz más brillante.

Pasos

Esta explicación no es controvertida, dice el Dr. Luque, pero lo que no sabemos es si - como él sospecha - un proceso análogo podría explicar por qué el relámpago en sí mismo procede por pasos. En el contexto de los relámpagos, en altitudes más bajas, hay más moléculas de aire y la unión de los electrones a ellas podría funcionar de una manera ligeramente diferente para producir el patrón de pasos. El Dr. Luque quiere averiguar si esto es correcto a través de su proyecto eLightning.

Su estudiante Alejandro Malagón-Romero y él establecieron esta hipótesis en 2019. Su equipo está trabajando ahora en la construcción de un modelo computacional de rayos para probar si el proceso puede explicar el comportamiento de paso.

Entender por qué el rayo procede por pasos no va a ayudarnos a hacerlo menos peligroso, pero el Dr. Luque dice que entender mejor el fenómeno podría ser útil en otras áreas. Por ejemplo, las descargas pueden formarse alrededor de los tendidos eléctricos y por lo tanto deben ser diseñados para minimizar esto. Estas descargas también se utilizan en la industria, por ejemplo, en la desinfección de gases industriales de desecho e incluso en fotocopiadoras. Una mejor comprensión de cómo funcionan podría conducir a mejores diseños.

Los rayos pueden parecer el arma más peligrosa del arsenal de una tormenta eléctrica, pero estas tormentas también crean vientos inusualmente fuertes.

El clima de Europa está dominado por sistemas de aire conocidos como ciclones extratropicales, corrientes de aire en espiral que traen consigo viento y lluvia mientras barren una región. La ciudad europea promedio experimenta entre 70 y 90 al año y los científicos comprenden bien cómo funcionan. Estas tormentas pueden ser fuertes, aunque no siempre lo son.

Siempre que se construye un edificio en Europa, los diseñadores deben asegurarse de que puede soportar fuertes vientos y los modelos que utilizan para ello se basan en ciclones extratropicales. El problema es que no se tiene en cuenta los vientos que se cree que son raros, como los de las tormentas eléctricas.

Tormentas eléctricas

Para entender por qué esto importa, hay que entender la diferencia entre los ciclones y las tormentas eléctricas. Para empezar, las tormentas eléctricas son más intensas que los ciclones. Mientras que un ciclón puede durar tres días, una tormenta eléctrica puede terminar en 20 minutos. Así que, en lugar de un viento moderado y sostenido, se produce una ráfaga de ráfagas muy fuertes. Segundo, y más importante, es cómo la fuerza de los vientos varía dependiendo de la altitud. Los ciclones se hacen más y más fuertes en las alturas. Las tormentas eléctricas, por su parte, tienden a producir vientos que comienzan a unos 100 metros de altura y soplan hacia abajo, con el viento haciéndose más fuerte a medida que desciende. “Un viento normal sopla paralelo al suelo, pero una tormenta eléctrica sopla hacia abajo. Es completamente diferente", dijo el profesor Giovanni Solari de la Universidad de Génova en Italia.

Juntando todo lo anterior, el resultado, dice el Profesor Solari, es que estamos cayendo en la sobreingeniería de nuestros edificios más altos, especialmente rascacielos, y en la subingeniería de edificios de baja altura y estructuras como grúas de astilleros. Los 200 metros superiores de un rascacielos de 300 metros probablemente no están siendo golpeados por una tormenta eléctrica, pero los diseñamos como si lo fueran porque nuestros modelos asumen que los vientos son más fuertes en las alturas. "Estamos haciendo edificios demasiado seguros", dijo. Por otro lado, las pequeñas grúas pueden volcarse por las tormentas eléctricas, que producen su viento más fuerte a nivel del suelo.

El objetivo del Prof. Solari, a través del proyecto THUNDERR, es corregir esto, lo que podría hacer que la construcción sea más eficiente y menos costosa, produciendo un modelo de viento de tormenta que puede ser utilizado para ayudar a diseñar edificios. El primer paso fue tomar una tormenta eléctrica sintética creada en un túnel de viento de clase mundial en la Universidad de Ontario, en Canadá, y hacer un modelo al respecto. Eso ya está hecho, dice el Prof. Solari, y sus modelos hacen un buen trabajo al capturar lo que estas tormentas sintéticas producen. Pero esa fue la parte fácil.

Ahora está pasando a modelar tormentas reales, en las que hay una gran variación. Para ayudar, el Prof. Solari y su equipo han construido una red de 45 torres meteorológicas espaciadas alrededor de la costa mediterránea diseñadas para capturar datos sobre los vientos creados por las tormentas eléctricas.

“La gente solía pensar que las tormentas eléctricas eran raras”, dijo el Prof. Solari. Eso era porque no podíamos verlas. La red ha registrado ahora una base de datos de 250 registros de tormentas eléctricas. El plan es ahora ajustar el modelo inicial para tener en cuenta todas estas tormentas diferentes y ser realmente representativo.

“La gente solía pensar que las tormentas eléctricas eran raras... Eso era porque no podíamos verlas”, Prof. Solari, Universidad de Génova, Italia.

Continúa leyendo