El rayo, ¿sube o baja?

El fenómeno que conocemos comúnmente como "rayo"

no "cae", sino que asciende desde la tierra al cielo

La sonda Cassini-Huygens registra relámpagos en una nube de la atmósfera superior de Saturno.

Observación de 16 minutos comprimida en este video de 10 segundos;

audio sintético creado con las señales electromagnéticas recibidas por la nave.

(Jet Propulsion Laboratory - NASA)

Es uno de los fenómenos planetarios más notorios, allá donde haya una atmósfera gaseosa con la suficiente densidad. El rayo, ese viejo miedo y asombro de la humanidad desde que pudimos sentir, constituye el prodigio más espectacular de los muchos que se encuentran en la atmósfera terrestre. Y desde siempre, hemos dicho que el rayo cae. Que cae de los cielos sobre nosotros, vamos, como lanzado por algún Zeus. Pero, ¿es esto verdad? ¿Realmente el rayo cae, o hay algo aún más sorprendente esperándonos también detrás de este fleco de la realidad?

De las cosas que caen.

Los seres humanos somos un bicho fuertemente antropocéntrico. Esto tiene sus cosas buenas, como por ejemplo el humanismo. Y sus cosas menos buenas, porque el antropocentrismo no deja de ser una forma colectiva de egocentrismo y etnocentrismo, a menudo con rasgos profundamente narcisistas y chauvinistas. En general, los seres humanos tendemos a pensar que todo lo que hay en el universo está para favorecernos o fastidiarnos a nosotros personalmente, como individuo, como grupo o como especie. La idea de que el universo va a su bola y nosotros no hacemos mucho más que correr de acá para allá tratando de seguir su ritmo o huir de sus peligros nos resulta inquietante, indeseable. La mayoría de la gente prefiere pensar que estamos aquí por algo, que las cosas suceden por alguna razón más allá de sus causas físicas inmediatas. Adoramos suponer que las cosas vienen hacia nosotros. Que si nos parte un rayo, nos partió por algo, y no sólo porque estábamos en medio cuando saltó sin preocuparse por nosotros ni un poquitín. Este es uno de los orígenes de la religión.

Además, a falta de información y análisis de buena calidad (y a veces hasta teniéndolo...) las personas tendemos a interpretar la realidad según nuestras preconcepciones, prejuicios, miedos, deseos, creencias y anhelos: nuestra cosmovisión. En la cosmovisión común, todo lo que sube, baja; y si algo sucede en el cielo y afecta a cosas que están en la tierra –nosotros, por ejemplo– entonces es que viene del cielo o cae del cielo. Pensar de otra manera nos resulta confuso e incómodo.

Con estos antecedentes, parece de sentido común decir que el rayo cae del cielo, viene sobre nosotros desde el cielo. Sin embargo, lo cierto es que este fenómeno sucede demasiado deprisa para que nuestros ojos puedan percibir en qué sentido viaja: buena parte de él se desplaza a la velocidad de la luz, y ninguna parte de él va más lento que una tercera parte de la velocidad de la luz. Nuestro cerebro y nuestros ojos reaccionan mucho más despacio. En realidad, cuando pasa el rayo, lo único que llegamos a percibir es un destello instantáneo; por autosugestión, percibimos que cae hacia abajo. Pero en realidad no lo hemos visto caer hacia abajo, porque no somos capaces de tal cosa. Por fortuna, ahí está la ciencia –esa aguafiestas– y los instrumentos tecnológicos que produce para echarnos una manita.

En general, la lógica de todo lo que está en el cielo tiene que caer sólo resulta válida cuando la fuerza preponderante en el fenómeno es la gravedad. Sin embargo, en el rayo y el relámpago la gravedad no juega ningún papel significativo: se trata de un fenómeno esencialmente electromagnético. Un rayo no es otra cosa que una gran chispa saltando entre dos superficies con carga eléctrica: la tierra y la nube. Por tanto, en principio, no tiene ningún sentido de circulación preferente. La mitad inferior del rayo debería subir hacia arriba y la superior, caer hacia abajo hasta encontrarse en algún punto intermedio. Sin embargo, el fenómeno es más complejo e interesante. Veámoslo.

¿Cómo se foman los rayos?

Para responder a esta pregunta correctamente, primero debemos aprender cómo se forma una tormenta eléctrica. Las tormentas eléctricas se originan en un tipo particular de nubes: los cumulonimbos. En el planeta Tierra, la inmensa mayoría parte de los rayos y relámpagos se producen durante estas tormentas; aunque también se observan ocasionalmente en las nubes de ceniza causadas por los volcanes o por grandes incendios (como los forestales) y en ciertas tormentas de arena. Todos ellos son sitios donde el rozamiento entre una miríada de partículas en suspensión puede generar carga eléctrica y electricidad estática. En el planeta Tierra, más del 95% de los rayos y relámpagos suceden en los cumulonimbos; el 20% alcanzan el suelo y el 80% circulan de nube a nube. En todo momento, hay unas mil ochocientas tormentas eléctricas sucediendo a la vez, lo que totaliza unos dieciséis millones de ellas al año.

Los cumulonimbos son nubes convectivas densas y pesadas, con notable desarrollo vertical, lo que les da la forma de una montaña o de grandes torres en el cielo. Su parte superior tiende a ser plana (lo que en ocasiones les hace parecer un yunque) y a menudo suave, aunque también puede aparecer como fibrosa o estriada. Bajo la base, muy oscura, aparecen nubes desiguales. Los cumulonimbos traen lluvia y granizadas fuertes y breves, a veces en forma de virga. Si hay granizo, truenos o relámpagos, estamos sin duda ante una de estas nubes. Aunque no todos los cumulonimbos traen tormentas eléctricas. Con frecuencia, se limitan a provocar precipitaciones intensas pero de corta duración. Cuando ocasionan tormentas eléctricas, éstas suelen tener una duración máxima de media hora; si dura más, es que hay varios.

Dentro de estas nubes se forman un montón de gotitas de agua, que salen propulsadas hacia arriba debido a sus corrientes ascendentes internas (updraught). Así se enfrían con un mecanismo de sobrefusión; unas se van acumulando en forma de granizo blando y otras permanecen como minúsculas partículas heladas. Cuando el granizo es lo bastante grande y pesado, cae a través de la nube y desciende chocando y rozando contra las partículas pequeñas que viajan hacia arriba. Durante estas colisiones, algunos electrones de las partículas resultan capturados por el granizo, con lo que éste adquiere una carga negativa (mientras que las partículas que siguen subiendo a lo alto, desprovistas de esos electrones, presentan carga positiva). Así se van generando acumulaciones de carga eléctrica estática en la parte inferior y superior del cumulonimbo.

Una parte del granizo descendente con carga negativa se ha vuelo ahora tan pesado que las corrientes ascendentes no pueden propulsarlo de nuevo hacia arriba, con lo que queda durante un tiempo entre dos aguas, sin llegar a caer aún a tierra pero concentrado en las regiones inferiores de la nube. Así, la base de la nube se va volviendo fuertemente electronegativa. Como consecuencia, el trozo de tierra que hay debajo se va haciendo fuertemente electropositivo por inducción electrostática (explicado un poco a lo bruto: los electrones presentes en la parte inferior de la nube repelen a los que se encuentran sobre la superficie terrestre y los separan de sus átomos, dejando a éstos con carga positiva) Conforme el fenómeno se desarrolla, dos intensísimas cargas eléctricas se van acumulando –una negativa en la base de la nube y la otra positiva en la superficie terrestre– separadas por una capa de aire. El aire es un poderoso aislante eléctrico, lo que impide que estas cargas se reequilibren poco a poco. Así se va formando un gigantesco condensador natural, que a cada segundo aumenta más y más su carga.

En un determinado momento, esta carga es ya insoportablemente alta y se inicia un proceso de reequilibrio. El mecanismo exacto que lo dispara sigue siendo objeto de disputa, pero lo que ocurre a continuación es bien conocido. Básicamente se trata de un proceso en tres etapas, que crea canales conductores en el aire aislante. En cuanto estos canales se establezcan, una violenta descarga casi-instantánea circulará por uno de ellos para igualar las cargas entre la base de la nube y la superficie de la Tierra, con gran energía en forma de luz y calor: el rayo.

La formación de los canales conductores.

La formación de estos canales conductores en el aire aislante constituyen una especie de "pre-rayo" o "relámpago preliminar". El proceso comienza con la generación de los llamados líderes escalonados (stepped leaders), de energía relativamente baja (decenas a cientos de amperios) y luz tenue, que a veces llega a ser percibida por el ojo pero más a menudo resulta invisible por completo. Estos líderes surgen cuando la atracción entre la base electronegativa de la nube y la superficie terrestre electropositiva supera un cierto umbral. Entonces, los electrones excedentes de la base nubosa comienzan a salir despedidos hacia la superficie a notable velocidad: unos 120 kilómetros por segundo.

Estos líderes no pueden viajar mucho: apenas unos cincuenta metros, con algunos llegando al centenar. Pero como siguen bajando electrones desde la nube en gran cantidad, se supera de nuevo el umbral y los líderes dan otro salto de cincuenta o cien metros, y así sucesivamente, extendiéndose en diversas direcciones como el delta de un río. Cada uno de estos saltos o escalones dura unas cincuenta millonésimas de segundo. Por donde pasan, van dejando "canales" o "riachuelos" de aire fuertemente ionizado, que se vuelve conductor de la electricidad. En unas veinte milésimas de segundo se están acercando a la superficie, con unos cinco culombios de carga.

Cuando uno de estos líderes escalonados se aproxima al suelo, provoca chispas positivas ascendentes que parten de la tierra y "salen a interceptarlo". Estas chispas se llaman gallardetes positivos (positive streamers) y surgen típicamente de los objetos conectados al suelo más próximos a la nube: la parte superior de los árboles, los edificios, las colinas o lo que sea. Cuando los gallardetes positivos entran en contacto con los líderes escalonados, la conexión eléctrica entre la nube y la tierra queda establecida a través de estos "canales", "riachuelos" o "cables" de aire fuertemente ionizado y por tanto conductor. Necesariamente, uno de estos caminos tendrá una resistencia más baja que los demás.

Entonces, los electrones situados en la región inferior del canal se precipitan violentamente hacia el suelo velocidades próximas a las de la luz. Esto provoca una intensísima corriente eléctrica en dirección a la superficie, ocasionando un potente destello inicial en las cercanías del suelo, con fuerte emisión de calor. El rayo acaba de comenzar.

Un rayo filmado a 7.200 FPS y reproducido a cámara lenta. Se observa perfectamente el desarrollo

El rayo.

Sin embargo, esta "apertura de canal" no se traduce en una avalancha instantánea de electrones circulando desde la nube hacia el suelo. Nos lo explica el Dr. Martin A. Uman, uno de los mayores expertos mundiales en fenómenos relacionados con el rayo:

–Martin A. Uman, "All about lightning", Dover Publications, Nueva York, 1986.

Vamos a explicarlo de otra manera, por si se no ha entendido bien. Lógicamente, en un rayo común los electones van a viajar desde la base nubosa (electronegativa, con electrones excedentes) hacia el suelo (electropositivo, con déficit de electrones); esto es, hacia abajo. Pero el "fenómeno rayo", lo que los humanos entendemos habitualmente como "un rayo" –la luz, el calor, la generación del trueno, técnicamente el golpe de retorno–, se forma hacia arriba. Por esto decimos que el rayo "asciende" en vez de "caer".

La razón radica en que la velocidad de la luz en el vacío es el límite absoluto de rapidez para todo ente con masa o información. La información de que el canal conductivo ha quedado establecido no puede viajar hacia la base de la nube más deprisa de lo que van cayendo los electrones situados en las regiones inferiores del canal hacia abajo, puesto que éstos ya lo hacen a la velocidad de la luz. En la práctica, hacen falta unas cien millonésimas de segundo para que la base de la nube "se entere" de que el canal con el suelo ha quedado establecido y empiece a lanzar el resto de los electrones hacia abajo. Durante ese periodo el "golpe de retorno" sube hacia arriba y, con él, la región de alta corriente.

Los rayos más potentes pueden transportar corrientes de hasta 120.000 amperios y 350 culombios, aunque normalmente suelen andar por los 30.000 amperios y quince culombios. No es raro que produzcan temperaturas de hasta 30.000 ºC; este calor, al transferirse al aire, ocasiona las ondas de choque que forman el trueno (que, lógicamente, también se crea de abajo arriba). Surgen señales de radiofrecuencia de gran longitud de onda. En los últimos años se ha descubierto que los rayos generan también notables emisiones de radiación ionizante, los destellos terrestres de rayos gamma (TGF).

Completado el golpe de retorno primario, pueden producirse otros secundarios; entonces, el rayo parece "centellear". Este fenómeno se produce de manera análoga al primero: surgen de la base nubosa los llamados líderes dardo (dart leaders) que recorren de nuevo el canal en dirección al suelo, seguidos por los nuevos golpes de retorno ascendentes. Al finalizar el fenómeno, la diferencia de carga entre la base de la nube y el suelo ha desaparecido.

Rayos positivos.

Existen diversos tipos de rayos, desde el electronegativo troposférico común que acabamos de ver hasta rarezas como los duendes rojos que se dan en las capas superiores de la atmósfera o los posibles rayos globulares que habrían causado el espanto más de una vez.

Hay uno en el que merece la pena detenerse de modo especial: el rayo positivo. Como hemos visto, el rayo común está ocasionado por la presencia de una fuerte carga electronegativa en la parte inferior de los cumulonimbos. Pero, ¿qué pasa con la carga electropositiva igualmente intensa que ha ido a parar a su parte superior? Pues que también puede formar rayos, muchos menos (apenas el 5% de los rayos son positivos) pero aún más potentes: hasta ¡300.000 amperios y mil millones de voltios, diez veces más que un electronegativo común! Debido a su elevada potencia y alcance, suelen causar habitualmente importantes incendios forestales, daños a las redes eléctricas y se cree que en alguna ocasión, catástrofes aéreas.

El rayo positivo resulta especialmente inquietante porque parece "salir de la nada". Ya hemos dicho que los líderes escalonados son prácticamente invisibles al ojo, sobre todo durante el día. Su problema es que, al originarse en la parte superior de la nube, los líderes recorren una larga distancia en rumbo general horizontal antes de "inclinarse" hacia el suelo. Así, puede surgir un rayo de enorme potencia en un lugar donde aparentemente no hay nubes, ni lluvia ni nada. Los rayos positivos emiten, además de los efectos habituales, cantidades importantes de ondas de radio de muy baja frecuencia: VLF y ELF.

El pararrayos.

La tendencia de los rayos a conectarse con el punto más alto de un terreno determinado fue observada desde tiempos antiguos. Solía ocurrir con frecuencia que este punto más alto fuera la torre de un templo –el campanario de una iglesia, el minarete de una mezquita, la punta de una estupa–, lo que generaba ciertas contradicciones sobre la supuesta protección divina para aquellos que se acogían a sagrado durante una tormenta eléctrica. Si los edificios de la antigüedad ardían continuamente como teas debido a sus técnicas constructivas en madera y paja, los templos iluminaban al pueblo cada dos por tres por efecto del rayo.

Al parecer, algunas estupas budistas de Sri Lanka ya incorporaban algo parecido a un primitivo pararrayos. La torre inclinada de Nevyansk, en Rusia, fue construida entre 1725 y 1732 e incluye una estructura aparentemente concebida para actuar como pararrayos: una esfera con puntas en lo alto directamente conectada a una trama metálica que se hunde en los cimientos. En Occidente, la invención de este dispositivo se atribuye generalmente al estadounidense Ben Franklin, en 1749.

La función de un pararrayos es canalizar la corriente del rayo a través de un conductor seguro, impidiendo así que atraviese destructivamente la estructura protegida. Por tanto, consiste en un mástil conductor situado en el punto más alto conectado a un cable que se hunde profundamente en el suelo. Debido al comportamiento parcialmente caótico del rayo, la eficacia del pararrayos resulta variable; las instalaciones críticas suelen contar con varios para asegurar su protección. En las torres eléctricas, hay un cable superior desempeñando esta misma función; las centrales y estaciones de transformación cuentan con sofisticadas defensas contra este fenómeno natural. Los barcos utilizan un sistema muy parecido, con el conductor puesto en contacto con el agua.

Más intrigante resulta la protección contra el rayo en los aviones, que no mantienen contacto con el suelo. En general, por esta misma razón, las aeronaves no "atraen" al rayo (actúan un poco como "un pájaro posado sobre el cable de alta tensión"); aunque, en ocasiones, las cargas estáticas propias de cualquier aparato que avanza por el aire provocan el efecto inverso. Además, siempre puede ocurrir que un rayo conectando con el suelo atraviese casualmente a una aeronave que se encuentre en su camino, especialmente durante las operaciones a baja altitud o debido a los rayos positivos ya mencionados.

Los efectos del rayo sobre las aeronaves son generalmente menores. Por un lado, el fuselaje metálico exterior actúa como jaula de Faraday, lo que impide el paso al interior de buena parte de la descarga (los aviones modernos con gran cantidad de composites son intrínsecamente más débiles contra el rayo, pero llevan mejores protecciones). Sin embargo, siempre es posible que algo llegue a penetrar, con la posibilidad de dañar sistemas críticos. En la práctica, muy pocas veces un avión ha sido derribado por el rayo sin duda de ninguna clase. Desde 1945 hasta aquí, sólo constan dieciséis pérdidas atribuidas al rayo en todo el mundo... y es cosa sabida que esta atribución se realiza a veces como cajón desastre cuando no se puede identificar otra causa.

La más notoria, y una de las pocas difícilmente discutibles, es el accidente del vuelo 214 de Pan American el 8 de diciembre de 1963: un Boeing 707. Mientras permanecía en el patrón de espera para aterrizar en Filadelfia (EEUU), durante una fuerte tormenta eléctrica, un rayo causó la explosión de los gases combustibles en el depósito del extremo del ala de babor. El ala resultó destruida y la aeronave se precipitó a tierra, muriendo sus 81 ocupantes. Cosa parecida le pasó en Perú al LANSA 508, un Lockheed Electra que se estrelló de manera parecida en 1971, con una única superviviente entre sus 92 ocupantes. Uno que nos afectó directamente fue la pérdida de un carguero Boeing 747 de la Fuerza Aérea del Irán del Shá, en Madrid, el 9 de mayo de 1976 (17 bajas). Mucho más incierto resulta el caso del Air France 117 (1962), con 113 víctimas, o el TWA 871 en Italia (1959). El resto son aeronaves de porte menor y/o casos más que dudosos. Fabricantes notables como Airbus, la antigua McDonell Douglas, Tupolev, Antonov o Ilyushin, con decenas de millares de aviones volando durante décadas por los lugares más insólitos en toda clase de condiciones meteorológicas, no han sufrido nunca ninguna pérdida ocasionada por el rayo.

Como puede verse, el riesgo mayor en estos casos consiste en la detonación de los gases en algún depósito de combustible, seguido por la sobrecarga de los equipos eléctricos y electrónicos de a bordo (especialmente los de navegación). Para evitarlo, las aeronaves modernas incorporan tramas o mallas de conductores, conectadas a los descargadores de estática, que en caso de contacto con el rayo actúan como canales de derivación de la energía hasta disiparla a través de estos dispositivos. También llevan barreras dieléctricas, concebidas para impedir que el rayo acceda a lugares críticos, así como sistemas eléctricos y electrónicos específicamente diseñados para derivar los pulsos de corriente generados por el rayo sin que dañen los componentes. El resultado es que, en los últimos treinta años, no se ha perdido ningún avión de gran porte debido a este motivo.

Rayos de otros mundos.

Además de la Tierra, se han registrado rayos en Marte, Júpiter, Saturno y Urano. Probablemente también en Titán y Neptuno, y se discuten en Venus. En general, como dijimos al principio, todo lo que tiene una atmósfera de densidad suficiente parece producir tormentas eléctricas. Como hemos visto, estos fenómenos electromagnéticos emiten muchas cosas además de luz y calor: especialmente, radiofrecuencia y radiación gamma con niveles de energía superiores a 20 MeV (y posiblemente también rayos X). Esto último resulta muy interesante porque esta radiación puede viajar grandes distancias por el cosmos, en lo que constituye la base de la astronomía de rayos gamma. Aunque nuestros instrumentos aún no son lo bastante sensibles, esto abre la posibilidad de detectar y analizar atmósferas planetarias remotas en el futuro.

La emisión en radio de baja frecuencia causada por las tormentas eléctricas resulta todavía más intrigante. Estas emisiones son breves pero extremadamente poderosas: un rayo terrestre puede llegar a emitir con una potencia de 100.000 millones de vatios. Esto es perfectamente detectable desde las proximidades de la Tierra (por ejemplo, desde la cara oculta de la Luna) incluso con radiotelescopios sencillos. Una señal de un megavatio procedente de Epsilon Eridani, a 11 años luz de aquí, se puede detectar sin problemas con un plato de doscientos metros de diámetro: menos que Arecibo. Y hablamos de emisiones cien mil veces más potentes.

Es más chulo aún. Resulta que las características de la atmósfera donde se genera el rayo determinan las características de la señal. Las tormentas eléctricas de las atmósferas ricas en oxígeno, como la terrestre, emiten con un pico característico entre 5 y 7 kHz. Por tanto, aunque los desafíos técnicos y económicos son relevantes, no resulta imposible concebir un radiotelescopio especializado en la detección de atmósferas extrasolares del tipo de la terrestre mediante las emisiones de radio producidas por sus tormentas eléctricas. El principal problema provendría de las interferencias causadas por nuestros propios rayos. Por ese motivo, este radiotelescopio estaría mejor situado en el espacio y a ser posible "blindado" frente a la Tierra (¿dijimos la cara oculta de la Luna?). Por su parte, un telescopio en órbita solar a 7,4 horas-luz de distancia podría utilizar al Sol como lente gravitacional para enfocar las ondas de radio. Hay un estudio bastante interesante sobre todo esto aquí.

Durante milenios, el rayo fue objeto de temor y veneración supersticiosa. Quizás en un tiempo no tan lejano, de la mano de la ciencia, sirva para indicarnos los rumbos futuros de la humanidad: el mundo, aún ignoto, que nos espera para convertirse en nuestro segundo hogar. Si es que no está ocupado ya, lo cual sería más interesante aún.