Rayo

Es una enorme chispa o corriente eléctrica que circula entre dos nubes o entre una nube y la tierra.  El rayo puede cruzar kilómetros de distancia y se origina en un tipo de nube llamada cumulonimbus o nube de tormenta (los cumulunimbus son nubes de gran extensión vertical que se caracterizan por la generación de lluvias, a menudo superan los 10 Km de altura, dentro de estas, es frecuente encontrar fuertes corrientes de aire, turbulencia, regiones con temperaturas muy inferiores a la  de congelación, cristales de hielo y granizos), ver imagen N°. 1.

Imagen N°. 1: Presentación de una descarga eléctrica

Fuente: Guía de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, Enero-1994.

El rayo es uno de los fenómenos más peligrosos de la atmósfera y dura unos pocos segundos, es siempre brillante y casi nunca sigue una línea recta para llegar al suelo o quedarse suspendido en el aire, adoptando formas parecidas a las raíces de un árbol.

El rayo es una descarga eléctrica.  En general, las partes superiores de las nubes de tormenta poseen carga positiva, mientras que en las partes centrales predominan las cargas negativas.  La región de máxima intensidad de campo eléctrico se halla entre ambas zonas de distinta polaridad. Ver imagen N°. 2

Imagen N°. 2: Distribución de las cargas  eléctricas en la nube.

Fuente: Guía de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, Enero-1994.

De acuerdo con las teorías que intentan explicar la electrificación de las tormentas, existen dos grupos con respecto a la presencia de cristales de hielo y de precipitaciones o la ausencia de alguna de ellas.

Ciertas partes de la atmósfera conducen mejor la descarga eléctrica porque poseen mayor cantidad de gotitas de agua, las cuales pueden estar cargadas de electricidad.

1. TIPOS

• Rayos difusos: Se presentan como un resplandor que ilumina el cielo  A causa de ser muy frecuentes en verano, se les denominaba relámpagos de calor.  A pesar de ello, se ha comprobado que no es una forma especial del rayo, sino solamente los reflejos en el cielo de una tempestad muy lejana, localizada debajo del horizonte, cuyas chispas eléctricas no se ven y cuyo ruido no se escucha.

• Rayos laminares: Son aquellos resplandores que resultan de la descarga dentro de la nube, entre la carga eléctrica positiva y la negativa.

• Rayo esferoidal, rayo de bola o rosario: Se presenta en forma de esfera luminosa, llegando a alcanzar el tamaño de una pelota de fútbol.  En algunas ocasiones aparecen varios de ellos formando como un rosario.  Algunas veces desaparecen repentinamente, con un gran estallido y otras se esfuman silenciosamente.

2. GOLPE ELÉCTRICO O PIEDRAS DE RAYO

Cuando la nube de tormenta se halla a cierta distancia de un ser viviente, influye sobre la electricidad de su cuerpo.  Al llegar el momento crítico en la nube y producirse la chispa de descarga, la influencia de la nube sobre la persona o animal, da lugar a una pequeña descarga que ocasiona la muerte. Este fenómeno se conoce como choque o golpe de eléctrico.

Cuando el rayo cae en las rocas de las montañas funde las sustancia silíceas (clase de mineral o sustancia sólida que forma parte de la corteza terrestre) que encuentra a su paso y forma unos tubitos de pequeñas dimensiones, vitrificados (acción de convertir una sustancia en vidrio), que se llaman fulguritas o piedras de rayo.

3. EL TRUENO

Cuando se  produce el rayo se origina el trueno. El calor producido por la descarga eléctrica, calienta el aire y lo expande bruscamente, dando lugar a ondas de presión que se propagan como ondas sonoras.  Cuando esas ondas sonoras pasan sobre el observador, éste percibe el ruido denominado trueno.

La velocidad del sonido del trueno se propaga más lentamente que el rayo, a unos 300 metros por segundo, por esta razón el trueno se oye después de desaparecer el rayo.

El trueno se debe a que el sonido que se produce a lo largo de todo el recorrido de la descarga eléctrica, puede medir kilómetros de longitud

4. EL PARARRAYOS 

Ya hemos dicho que las nubes de tormenta llegan a cargarse, algunas veces, positivamente en su base.  Sin embargo, generalmente son las cargas negativas las que se acumulan en esa zona de la nube.

Esta carga negativa de la nube significa que  hay una tensión negativa con relación a la tierra, que tiene carga positiva.

El paso de la chispa eléctrica se facilita por que la tierra que se halla debajo de la nube, tiene carga contraria durante una tormenta.  Este proceso se denomina inducción electrostática

El pararrayos es una varilla puntiaguda de metal buen conductor de electricidad, instalada en la parte más elevada de un edificio o cualquier construcción que lo requiera y unida por un grueso cable de cobre a una plancha del mismo metal introducida profundamente en tierra.   Los  electrones  (cargas eléctricas negativas) pueden trasladarse fácilmente por el pararrayos, si el rayo se produce, recorrerá el camino más corto y fácil, que es el que conduce el pararrayos.  Y como éste está conectado al suelo, el rayo, al tocar la punta metálica, se descarga sin causar daños en la tierra.

4.1 Partes principales del pararrayos 

• La barra:  es cilíndrica de 3 a 5 metros de altura, con una punta o puntas de hierro galvanizado o de cobre.

• El conductor aéreo:  está formado de cable de cobre de más de 8 mm de diámetro o cable de hierro de más de 11 mm de diámetro, aunque también se puede emplear tubos de los mismos materiales. Una condición importante es que no esté aislado del edificio que protege.

• El conductor subterráneo:  consiste en placas de cobre o de hierro galvanizado de un metro cuadrado de superficie por lo menos, hundidas en el agua de un pozo o mejor en la tierra húmeda y enlazadas al conductor aéreo.  Si el terreno es seco, es mejor usar como conductor subterráneo un cable muy largo enterrado alrededor de la casa. Se debe tomar en cuenta que el radio de la base circular (R) es igual a la altura (A) del pararrayos. Ver imagen N° 3.

Imagen N° 3: El Pararrayos.

5. SISTEMAS DE PREDICCIÓN 

Las condiciones topográficas de Colombia permiten la ocurrencia de variados tipos de formación de tormentas eléctricas como sistemas de origen “orográfico” creadas como resultado del calentamiento producido por la radiación solar y corrientes de aire producidas por la topografía o grandes sistemas tormentosos más asociados con frentes en zonas planas. Lo anterior sumado a los pocos datos disponibles de sistemas de medida hacen que no sea sencillo establecer un modelo único de predicción de tormentas aplicable a todas las regiones del país; sin embargo, si es práctico implementar un método de detección de tormentas cercanas para la emisión de alarmas basado en el uso de un esquema sencillo de dos regiones (Murphy, 2000).

El método de las dos áreas (ver Fig 1), se compone de una primera región conocida como Area Of Concern (AOC) la cual rodea el Punto de Interés (PI) que es el lugar que se desea proteger por medio de la emisión de alarmas. Una segunda región conocida como Warning Area (WA) rodea el AOC y mediante la observación de eventos relacionados con la actividad eléctrica atmosférica que se dan allí se toma la decisión de emitir alguno de los diferentes tipos de alarma de riesgo para el PI.

Figura 1: Método de las dos áreas.

Los eventos que son observados en el WA son en la mayoría de los estudios descargas nube-tierra que permiten directamente identificar una celda de tormenta activa. Otros estudios más completos incluyen la actividad de rayos intra-nube los cuales permiten detectar en forma más temprana una posible tormenta eléctrica que pueda producir rayos nube-tierra. La medida de reflectividad suministrada por radares meteorológicos también ha sido incluida en métodos de predicción gracias a la estrecha relación que presenta con los centros de carga eléctrica de la nube. Finalmente, entre muchas otras posibles variables, se utiliza para la detección de tormentas eléctricas la medida del campo electrostático sobre la superficie terrestre.

La siguiente figura muestra la Probabilidad de Detección POD (proporción de tormentas eléctricas que son correctamente predichas) en diferentes regiones de Colombia con base en pronósticos realizados a partir de datos de redes de localización de rayos utilizando el esquema de las dos áreas.

Figura 2: Probabilidad de Detección del sistema - POD.

La figura 3 muestra la Proporción de Falsas Alarmas - FAR (proporción de pronósticos de tormenta asociados con falsas alarmas) para el territorio colombiano. La prediccón es realizada con base en información de redes de detección de rayos.

Figura 3: Proporción de falsas alarmas - FAR.