El relámpago es una descarga de chispa eléctrica en la atmósfera que ocurre durante una tormenta eléctrica , manifestada por un brillante destello de luz y el trueno que lo acompaña . También se han registrado rayos en Venus , Júpiter , Saturno , Urano , etc. [1] La fuerza de la corriente en una descarga de rayo en la Tierra es en promedio de 30 kA , a veces alcanza los 200 kA [2] , el voltaje es de decenas de millones a mil millones de voltios [1] .
El rayo más largo se registró el 29 de abril de 2020 en la frontera de los estados de Mississippi y Texas . Se extendía desde Houston hasta el sureste de Mississippi, lo que equivale a la distancia entre Columbus (Ohio) y Nueva York . Su longitud era de 768 km (el récord anterior de 709 km se registró en el sur de Brasil el 31 de octubre de 2018 [3] [4] ). El rayo más largo se registró el 18 de junio de 2020 en Argentina , su duración fue de 17,1 segundos [4] [5] (el récord anterior se registró el 4 de marzo de 2019 también en el norte de Argentina y fue de 16,73 segundos [4] [3] ) . En 2014 se registró una diferencia de potencial récord durante una tormenta eléctrica de 1,3 GV [6] .
Los rayos han sido un objeto de interés humano desde la antigüedad. Sus peligrosas manifestaciones se conocen desde la antigüedad. En el paganismo, el rayo se consideraba la actividad de los dioses más poderosos: Zeus en la mitología griega antigua, Thor en escandinavo, Perun en eslavo. La derrota por el rayo se consideraba el castigo de Dios. En consecuencia, se realizaron ciertos rituales y rituales para protegerse contra los rayos. De la mitología antigua y eslava, la idea del rayo, como instrumento de la actividad divina, también migró al cristianismo. A pesar de la percepción del rayo como una manifestación de poderes superiores, sin embargo, ya en la antigüedad, se revelaron ciertos patrones en la derrota de los objetos por el rayo. Tales también describió que los rayos golpean con mayor frecuencia objetos altos e independientes. En la Edad Media, los rayos a menudo provocaban incendios en las ciudades de madera, de ahí la regla de que no se pueden construir casas más altas que el templo. Los templos, ubicados, por regla general, en lugares elevados, servían en estos casos como pararrayos . También se notó que las cúpulas metalizadas (en esos años, en su mayoría doradas) tienen menos probabilidades de ser alcanzadas por un rayo.
El desarrollo de la navegación dio un gran impulso al estudio de los rayos. Primero, los navegantes enfrentaron tormentas eléctricas de una fuerza sin precedentes en tierra; en segundo lugar, encontraron que las tormentas eléctricas se distribuyen de manera desigual en las latitudes geográficas; en tercer lugar, notaron: con un rayo cercano, la aguja de la brújula experimenta fuertes perturbaciones; en cuarto lugar, relacionaron claramente la aparición de los incendios de San Telmo con una tormenta eléctrica inminente. Además, fueron los navegantes los primeros en notar que antes de una tormenta eléctrica se producían fenómenos similares a los que ocurren cuando se electrifica vidrio o lana por fricción.
El desarrollo de la física en los siglos XVII y XVIII permitió plantear una hipótesis sobre la conexión entre el rayo y la electricidad. En particular, M. V. Lomonosov se adhirió a tal punto de vista . La naturaleza eléctrica de los rayos se reveló en la investigación del físico estadounidense B. Franklin , en base a la cual se llevó a cabo un experimento para extraer electricidad de una nube tormentosa. La experiencia de Franklin para dilucidar la naturaleza eléctrica de los rayos es ampliamente conocida. En 1750, publicó un trabajo que describe un experimento utilizando una cometa lanzada en una tormenta eléctrica. La experiencia de Franklin fue descrita en el trabajo de Joseph Priestley .
A principios del siglo XIX, la mayoría de los científicos ya no dudaban de la naturaleza eléctrica de los rayos (aunque había hipótesis alternativas, como las químicas), y las principales preguntas de investigación eran el mecanismo para generar electricidad en las nubes tormentosas y los parámetros de un rayo. descarga.
En 1989, se descubrieron tipos especiales de rayos en la atmósfera superior : elfos [7] y duendes . En 1995, se descubrió otro tipo de relámpago en la atmósfera superior: los chorros [7] .
A finales del siglo XX, al estudiar los rayos, se descubrieron nuevos fenómenos físicos: ruptura de electrones desbocados [8] y reacciones fotonucleares bajo la acción de la radiación gamma de la descarga de un rayo [9] [10]
Para estudiar la física de los rayos, se utilizan métodos de observación de satélites. [once]
La mayoría de las veces los relámpagos ocurren en las nubes cumulonimbus , entonces se les llama nubes de tormenta; a veces se forman relámpagos en las nubes nimbus, así como en erupciones volcánicas , tornados y tormentas de polvo.
Se suelen observar rayos lineales, que pertenecen a las llamadas descargas sin electrodos , ya que comienzan (y terminan) en cúmulos de partículas cargadas. Esto determina algunas de sus propiedades aún no explicadas que distinguen a los rayos de las descargas entre electrodos. Entonces, el relámpago no es más corto que unos pocos cientos de metros; surgen en campos eléctricos mucho más débiles que los campos durante las descargas entre electrodos; La acumulación de cargas transportadas por un rayo ocurre en milésimas de segundo a partir de miles de millones de partículas pequeñas y bien aisladas ubicadas en un volumen de varios km³. El proceso de desarrollo de los relámpagos en las nubes de tormenta es el más estudiado , mientras que los relámpagos pueden pasar en las propias nubes ( relámpagos intranubes ) y pueden golpear el suelo ( relámpagos de nube a tierra) . Para que ocurra un relámpago, es necesario que en un volumen relativamente pequeño (pero no menos que un poco crítico) de la nube se forme un campo eléctrico (ver electricidad atmosférica ) con una fuerza suficiente para iniciar una descarga eléctrica (~ 1 MV/m ), y en una parte importante de la nube existiría un campo con una fuerza media suficiente para mantener la descarga que ha comenzado (~ 0,1-0,2 MV/m). En un rayo, la energía eléctrica de la nube se convierte en calor, luz y sonido.
El proceso de desarrollo de tales rayos consta de varias etapas. En la primera etapa, en la zona donde el campo eléctrico alcanza un valor crítico, comienza la ionización por impacto , creada al principio por cargas libres, siempre presentes en una pequeña cantidad en el aire, que, bajo la influencia de un campo eléctrico, adquieren un valor significativo . acelera hacia el suelo y, al chocar con las moléculas que componen el aire, las ioniza. [12]
Según ideas más modernas, la ionización de la atmósfera para el paso de una descarga ocurre bajo la influencia de la radiación cósmica de alta energía - partículas con energías de 10 12 -10 15 eV , formando una amplia lluvia de aire con una disminución en la ruptura voltaje del aire por un orden de magnitud del que bajo condiciones normales [13] . Los rayos son provocados por partículas de alta energía que provocan una descomposición de los electrones desbocados (el "desencadenante" del proceso en este caso son los rayos cósmicos) [14] . Por lo tanto, surgen avalanchas de electrones , que se convierten en hilos de descargas eléctricas , serpentinas , que son canales bien conductores que, al fusionarse, dan lugar a un canal brillante térmicamente ionizado con alta conductividad, un rayo líder escalonado .
El movimiento del líder hacia la superficie terrestre se produce en pasos de varias decenas de metros a una velocidad de ~ 50 000 kilómetros por segundo, después de lo cual su movimiento se detiene durante varias decenas de microsegundos y el brillo se debilita considerablemente; luego, en la siguiente etapa, el líder avanza nuevamente varias decenas de metros. Al mismo tiempo, un resplandor brillante cubre todos los pasos pasados; luego sigue una parada y un debilitamiento del resplandor. Estos procesos se repiten cuando el líder se desplaza hacia la superficie terrestre a una velocidad media de 200.000 metros por segundo. A medida que el líder se mueve hacia el suelo, la intensidad del campo en su extremo aumenta y, bajo su acción, se lanza una serpentina de respuesta desde los objetos que sobresalen en la superficie de la Tierra , conectándose con el líder. Esta característica del rayo se usa para crear un pararrayos .
En la etapa final, el canal líder-ionizado es seguido por una descarga relámpago inversa (de abajo hacia arriba) o principal , caracterizada por corrientes de decenas a cientos de miles de amperios, un brillo que supera significativamente el brillo del líder . y una alta velocidad de avance, llegando al principio a ~100.000 kilómetros por segundo, y disminuyendo al final a ~10.000 kilómetros por segundo. La temperatura del canal durante la descarga principal puede superar los 20 000–30 000 °C. La longitud del canal del rayo puede ser de 1 a 10 km, el diámetro es de varios centímetros. Después del paso del pulso actual, la ionización del canal y su brillo se debilitan. En la etapa final, la corriente del rayo puede durar centésimas e incluso décimas de segundo, alcanzando cientos y miles de amperios. Tal rayo se llama prolongado, con mayor frecuencia causan incendios. Pero la tierra no está cargada, por lo que generalmente se acepta que la descarga del rayo proviene de la nube hacia la tierra (de arriba hacia abajo).
La descarga principal a menudo descarga solo una parte de la nube. Las cargas ubicadas a gran altura pueden dar lugar a un nuevo líder (en forma de flecha) que se mueve continuamente a una velocidad de miles de kilómetros por segundo. El brillo de su brillo está cerca del brillo del líder escalonado. Cuando el líder barrido llega a la superficie de la tierra, sigue un segundo golpe principal, similar al primero. Los rayos generalmente incluyen varias descargas repetidas, pero su número puede llegar hasta varias docenas. La duración de múltiples relámpagos puede exceder 1 segundo. El desplazamiento del canal de rayos múltiples por el viento crea el llamado rayo de cinta , una franja luminosa.
Los relámpagos intranubes generalmente incluyen solo etapas líderes; su longitud varía de 1 a 150 km. La proporción de relámpagos intranubes aumenta con el desplazamiento hacia el ecuador , pasando de 0,5 en latitudes templadas a 0,9 en la franja ecuatorial . El paso de los rayos va acompañado de cambios en los campos eléctricos y magnéticos y de emisión de radio , los llamados atmosféricos .
La probabilidad de que un objeto terrestre sea alcanzado por un rayo aumenta a medida que aumenta su altura y con un aumento de la conductividad eléctrica del suelo en la superficie o a cierta profundidad (la acción de un pararrayos se basa en estos factores). Si hay un campo eléctrico en la nube que es suficiente para mantener la descarga, pero no lo suficiente para que ocurra, un cable metálico largo o un avión pueden desempeñar el papel de iniciador del rayo, especialmente si tiene mucha carga eléctrica. Por lo tanto, los relámpagos a veces son "provocados" en nimboestratos y poderosos cúmulos .
Las llamaradas en las capas superiores de la atmósfera: estratosfera , mesosfera y termosfera , dirigidas hacia arriba, hacia abajo y horizontalmente, están muy poco estudiadas. Se subdividen en sprites, jets y elfos . El color de los destellos y su forma depende de la altura a la que se produzcan. A diferencia de los relámpagos observados en la Tierra, estos destellos son de color brillante, generalmente rojo o azul, y cubren grandes áreas en la atmósfera superior y, a veces, se extienden hasta el borde del espacio [15] .
"Elfos"Los elfos ( Elves ; abreviatura de Emissions of Light and Very Low Frequency Perturbations from Electromagnetic Pulse S ources ) son conos de destellos enormes , pero tenuemente luminosos, con un diámetro de unos 400 km, que aparecen directamente desde la parte superior de una nube de tormenta [7 ] . La altura de los elfos puede alcanzar los 100 km, la duración de los destellos es de hasta 5 ms (3 ms en promedio) [7] [16] .
JetsLos chorros son conos de tubo azul. La altura de los chorros puede alcanzar los 40-70 km (límite inferior de la ionosfera ), la duración de los chorros es mayor que la de los elfos [17] [18] .
SpritesLos duendes son difíciles de distinguir, pero aparecen en casi cualquier tormenta eléctrica a una altitud de 55 a 130 kilómetros (la altura de la formación de rayos "ordinarios" no supera los 16 kilómetros). Este es un tipo de relámpago que sale disparado de la nube . Por primera vez este fenómeno se registró en 1989 por accidente. Se sabe muy poco sobre la naturaleza física de los sprites [19] .
Los fantasmas verdes (abreviatura de las emisiones verdes del oxígeno excitado en la parte superior de los sprites (" resplandor verde del oxígeno excitado en la parte superior de los sprites", fantasma en inglés fantasma) aparecen después de un destello de sprites rojos durante unos segundos como un verde. resplandor posterior Inaugurado el 25 de mayo de 2019, aunque se observa desde 2014. El fenómeno aún se está estudiando, la hipótesis hipotética de ocurrencia es que cuando las cimas de poderosos sprites golpean la capa donde se produce el resplandor atmosférico, a una altura de 90 km sobre la superficie , los átomos de oxígeno pueden brillar en verde por un corto tiempo [20 ]
Muy a menudo, los rayos ocurren en los trópicos .
El lugar donde ocurren los rayos con más frecuencia es el pueblo de Kifuka en las montañas al este de la República Democrática del Congo [21] . Allí, en promedio, se producen 158 rayos por kilómetro cuadrado al año [22] . Los relámpagos también son muy comunes en el Catatumbo en Venezuela , en Singapur [23] , la ciudad de Terezina en el norte de Brasil [24] y en el "Lightning Alley" en el centro de Florida [25] [26] .
Según las primeras estimaciones, la frecuencia de los rayos en la Tierra es de 100 veces por segundo. Según los datos modernos de los satélites que pueden detectar rayos en lugares donde no hay observación terrestre, esta frecuencia es en promedio de 44 ± 5 veces por segundo, lo que corresponde a alrededor de 1.400 millones de rayos por año [27] [28] . El 75 % de estos rayos caen entre nubes o dentro de las nubes, y el 25 % caen en el suelo [29] .
Los relámpagos más poderosos provocan el nacimiento de fulguritas [30] .
A menudo, los rayos, que caen sobre árboles e instalaciones de transformadores en el ferrocarril, hacen que se enciendan. Los rayos ordinarios son peligrosos para las antenas de radio y televisión ubicadas en los techos de los edificios de gran altura, así como para los equipos de red.
La descarga de un rayo es una explosión eléctrica y en algunos aspectos es similar a la detonación de un explosivo. Provoca la aparición de una onda de choque , peligrosa en las inmediaciones [31] . Una onda de choque de una descarga de rayo lo suficientemente potente a distancias de varios metros puede causar destrucción, romper árboles, lesionar y conmocionar a las personas incluso sin una descarga eléctrica directa. Por ejemplo, a una tasa de aumento de corriente de 30 mil amperios por 0,1 milisegundos y un diámetro de canal de 10 cm, se pueden observar las siguientes presiones de onda de choque [32] :
A mayores distancias, la onda de choque degenera en una onda de sonido: trueno .
Los rayos son una seria amenaza para la vida de las personas y los animales. La derrota de una persona o animal por un rayo a menudo ocurre en espacios abiertos, ya que la corriente eléctrica fluye a través del canal de menor resistencia eléctrica.
Es imposible ser alcanzado por un rayo lineal ordinario dentro de un edificio. . Sin embargo, existe la opinión de que el llamado rayo en bola puede penetrar dentro del edificio a través de grietas y ventanas abiertas.
En el cuerpo de las víctimas, se observan los mismos cambios patológicos que en caso de descarga eléctrica. La víctima pierde el conocimiento , se cae, se pueden presentar convulsiones , la respiración y los latidos del corazón a menudo se detienen . En el cuerpo, generalmente se pueden encontrar " marcas de corriente ", los puntos de entrada y salida de electricidad. En caso de desenlace fatal, la causa del cese de las funciones vitales básicas es el cese repentino de la respiración y de los latidos del corazón por la acción directa del rayo sobre los centros respiratorio y vasomotor del bulbo raquídeo. Las llamadas marcas de rayos a menudo permanecen en la piel , rayas de color rosa claro o rojo en forma de árbol que desaparecen cuando se presionan con los dedos (persisten durante 1-2 días después de la muerte). Son el resultado de la dilatación de capilares en la zona de contacto entre el rayo y el cuerpo.
La víctima de un rayo necesita hospitalización, ya que corre el riesgo de trastornos de la actividad eléctrica del corazón. Antes de la llegada de un médico calificado, se le pueden dar primeros auxilios . En caso de paro respiratorio está indicada la reanimación , en los casos más leves la ayuda depende del padecimiento y los síntomas.
Según algunos datos, cada año en el mundo mueren 24.000 personas a causa de la caída de rayos y unas 240.000 resultan heridas [33] . Según otras estimaciones, cada año mueren 6.000 personas en todo el mundo a causa de la caída de rayos [34] .
En los Estados Unidos , el 9-10% de las personas a las que les cae un rayo mueren, [35] lo que resulta en 40-50 muertes por año en el país [36] .
La probabilidad de que a un ciudadano estadounidense le caiga un rayo en el año en curso se estima en 1 en 960.000, la probabilidad de que le caiga un rayo alguna vez en su vida (con una esperanza de vida de 80 años) es de 1 en 12.000 [37 ] .
El estadounidense Roy Sullivan , un empleado del parque nacional, es conocido por haber sido alcanzado por un rayo siete veces durante 35 años y sobrevivió.
Los árboles altos son un objetivo frecuente de los rayos. En los árboles reliquia de larga vida, puede encontrar fácilmente múltiples cicatrices de relámpagos - rayos . Se cree que un árbol que está solo tiene más probabilidades de ser alcanzado por un rayo, aunque en algunas áreas boscosas se pueden ver rayos en casi todos los árboles. Los árboles secos se incendian cuando les cae un rayo. La mayoría de las veces, los rayos se dirigen al roble, y menos al haya, lo que, aparentemente, depende de la diferente cantidad de aceites grasos que contienen, lo que representa una mayor o menor resistencia a la conducción de la electricidad [38] .
Un relámpago viaja en el tronco de un árbol a lo largo del camino de menor resistencia eléctrica , con la liberación de una gran cantidad de calor, convirtiendo el agua en vapor, que divide el tronco de un árbol o, más a menudo, arranca secciones de corteza, mostrando el camino. de relámpago En temporadas posteriores, los árboles suelen regenerar el tejido dañado y pueden cerrar toda la herida, dejando solo una cicatriz vertical. Si el daño es demasiado severo, el viento y las plagas eventualmente matarán al árbol. Los árboles son pararrayos naturales y se sabe que brindan protección contra rayos a los edificios cercanos. Plantados cerca del edificio, los árboles altos atrapan los rayos y la alta biomasa del sistema de raíces ayuda a aterrizar el rayo.
Por esta razón, es peligroso esconderse de la lluvia debajo de los árboles durante una tormenta eléctrica, especialmente debajo de árboles altos o solitarios en áreas abiertas [39] [40] .
A partir de árboles alcanzados por un rayo, se fabrican instrumentos musicales, atribuyéndoles propiedades únicas [41] [42] .
Los rayos son un peligro importante para los equipos eléctricos y electrónicos. Con la caída directa de un rayo en los cables, se produce una sobretensión en la línea , lo que provoca la destrucción del aislamiento de los equipos eléctricos, y las corrientes elevadas provocan daños térmicos en los conductores. En este sentido, los accidentes e incendios en equipos tecnológicos complejos pueden no ocurrir de forma inmediata, sino en un plazo de hasta ocho horas después de la caída del rayo. Para protegerse contra sobretensiones por rayos, las subestaciones eléctricas y las redes de distribución están equipadas con varios tipos de equipos de protección, como descargadores, descargadores de sobretensiones no lineales, descargadores de chispas largas. Para protegerse contra la caída directa de un rayo, se utilizan pararrayos y cables de tierra . Para los dispositivos electrónicos, el pulso electromagnético creado por un rayo también es peligroso, lo que puede dañar los equipos a una distancia de hasta varios kilómetros del lugar del impacto del rayo. Las redes de área local son bastante vulnerables al impulso electromagnético del rayo.
La electricidad atmosférica en general y los rayos en particular representan una amenaza significativa para la aviación. El impacto de un rayo en una aeronave hace que fluya una gran corriente a través de sus elementos estructurales, lo que puede provocar su destrucción, incendio en los tanques de combustible, fallas en los equipos y la muerte de personas. Para reducir el riesgo, los elementos metálicos del revestimiento exterior de la aeronave se conectan eléctricamente cuidadosamente entre sí y los elementos no metálicos se metalizan. Así, se asegura una baja resistencia eléctrica de la carcasa. Para drenar la corriente del rayo y otra electricidad atmosférica del casco, las aeronaves están equipadas con pararrayos.
Debido al hecho de que la capacitancia eléctrica de un avión en el aire es pequeña, la descarga "nube-avión" tiene una energía significativamente menor en comparación con la descarga "nube-tierra". Los relámpagos son más peligrosos para un avión o helicóptero que vuela a baja altura, ya que en este caso el avión puede desempeñar el papel de conductor de la corriente del rayo desde la nube hasta el suelo. Se sabe que las aeronaves a gran altura son alcanzadas con relativa frecuencia por rayos y, sin embargo, los casos de accidentes por este motivo son raros. Al mismo tiempo, hay muchos casos de aeronaves alcanzadas por rayos durante el despegue y el aterrizaje, así como en el estacionamiento, que terminaron en desastres o en la destrucción de la aeronave.
Accidentes de aviación conocidos causados por rayos:
Los rayos son una amenaza para los barcos de superficie debido a que estos últimos están elevados sobre la superficie del mar y tienen muchos elementos afilados (mástiles, antenas), que son concentradores de la fuerza del campo eléctrico. En los días de los veleros de madera con alta resistividad del casco, la caída de un rayo casi siempre terminaba trágicamente para el barco: el barco se quemaba o se derrumbaba, las personas morían por descargas eléctricas. Los barcos de acero remachado también eran vulnerables a los rayos. La alta resistividad de las juntas de los remaches provocaba una importante generación local de calor, lo que provocaba la aparición de un arco eléctrico, incendios, destrucción de los remaches y aparición de fugas de agua de la carcasa.
El casco soldado de los barcos modernos tiene una baja resistividad y garantiza una propagación segura de la corriente del rayo. Los elementos sobresalientes de la superestructura de los barcos modernos están conectados eléctricamente de manera confiable al casco y también aseguran la propagación segura de la corriente del rayo, y los pararrayos garantizan la protección de las personas en la cubierta. Por lo tanto, los rayos no son peligrosos para los barcos de superficie modernos.
Con poderosas explosiones nucleares terrestres cerca del epicentro, los rayos pueden aparecer bajo la influencia de un pulso electromagnético. Solo que, a diferencia de las descargas de rayos, estos rayos parten del suelo y suben [43] .
La mayoría de las tormentas suelen ocurrir sin consecuencias significativas, sin embargo, se deben observar una serie de reglas de seguridad:
Junto con los relámpagos en el epicentro de la actividad de las tormentas eléctricas, un flujo de aire descendente también es un peligro, creando ráfagas de viento chubasco y precipitaciones intensas, incluyendo granizo, de las cuales también se requiere protección.
El frente de tormenta pasa lo suficientemente rápido, por lo que se requieren medidas de seguridad especiales durante un período de tiempo relativamente corto, generalmente no más de 3 a 5 minutos en un clima templado.
diccionarios y enciclopedias |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Desastres naturales | |
---|---|
litosferico | |
atmosférico | |
incendios | |
hidrosferico | |
biosferico | |
magnetosférico | |
Espacio |