C¨®mo la ciencia est¨¢ desentra?ando el misterio de los rayos y las tormentas el¨¦ctricas

Imag¨ªnese que est¨¢ tumbado un hermoso d¨ªa en una verde colina viendo las nubes pasar. Seguramente est¨¦ pensando en nubes de tipo c¨²mulo, esas que parecen suaves bolas de algod¨®n. Su aspecto es de lo m¨¢s inocente. Sin embargo, pueden convertirse en los m¨¢s formidables cumulonimbos. De esos monstruos salen los rayos y los truenos. Son poderosos, destructivos e intensamente misteriosos. Tambi¨¦n hay indicios de que cada vez son m¨¢s frecuentes. Por ello, entender su funcionamiento ¡ªy su efecto en el mundo de los seres humanos, incluido c¨®mo construimos los edificios y los tendidos el¨¦ctricos¡ª es m¨¢s importante que nunca.

Muchas nubes se forman cuando el aire caliente asciende a grandes alturas, donde se enfr¨ªa y se condensa en gotitas de agua. Las tormentas se producen cuando una nube que se est¨¢ formando por este proceso crece y se agranda muy r¨¢pidamente, absorbiendo cada vez m¨¢s vapor de agua. A ello le suelen seguir precipitaciones y fuertes r¨¢fagas de viento. Y, por supuesto, los rayos. Aunque aparentemente son un fen¨®meno bastante escaso, ha tenido lugar unas 700 veces ¡ªen la Tierra caen unos 100 rayos por segundo¡ª en alguna parte del planeta en el tiempo que usted ha tardado en leer esta frase.

Al parecer, los rayos y las tormentas son cada vez m¨¢s habituales, y hay indicios de que la tendencia continuar¨¢ como consecuencia del calentamiento global. En 2014, David Romps, catedr¨¢tico de la Universidad de California en Berkeley (Estados Unidos), elabor¨® un modelo atmosf¨¦rico que predec¨ªa que los rayos aumentar¨ªan un 12% por cada grado de aumento de la temperatura de la Tierra. Diversas se?ales indican que esto podr¨ªa estar sucediendo ya. En Holanda, varios investigadores han observado el n¨²mero de incendios en los bosques de Alaska y Canad¨¢ originados por un rayo y han descubierto que ha aumentado entre un 2% y un 4% anual a lo largo de los ¨²ltimos 40 a?os.

Los rayos son algo que no acabamos de entender. Si, por ejemplo, film¨¢semos la ca¨ªda uno de ellos y la proyect¨¢semos a c¨¢mara superlenta, ver¨ªamos que avanza a saltos. Seg¨²n Alejandro Luque, del Instituto de Astrof¨ªsica de Andaluc¨ªa en Granada, se detiene un instante a intervalos antes de seguir avanzando. Ignoramos por qu¨¦ ocurre esto. Luque comenta que hay unos cuantos art¨ªculos sobre el tema, pero, en realidad, ninguna teor¨ªa aceptada.

Los espectros rojos

No obstante, el investigador cree que puede tener algunas de las claves del problema gracias a sus estudios sobre un fen¨®meno el¨¦ctrico todav¨ªa m¨¢s incre¨ªble pero que se conoce mejor: los espectros rojos.

Los espectros rojos son inmensos chorros de luz coloreada que se forman a entre 50 y 90 kil¨®metros de altura sobre la superficie de la tierra, mucho m¨¢s arriba que las tormentas. Durante a?os se dud¨® de su existencia, ya que son dif¨ªciles de ver desde el suelo. Luque los ha estudiado principalmente observando fotograf¨ªas tomadas por aviones de investigaci¨®n.

Los rayos y las tormentas son cada vez m¨¢s habituales y hay indicios de que la tendencia continuar¨¢ como consecuencia del calentamiento global

Aunque son menos conocidos que los rayos, la f¨ªsica de los espectros rojos es m¨¢s f¨¢cil de estudiar porque a tales alturas hay poco aire, de manera que las descargas el¨¦ctricas se producen m¨¢s lentamente y a temperaturas m¨¢s bajas. Los rayos originan temperaturas superiores a las de la superficie del Sol. En cambio, los canales de descarga de los espectros rojos tienen ¡°m¨¢s o menos la misma temperatura que el aire que los rodea¡±, afirma el investigador.

Los canales de los espectros rojos est¨¢n formados por filamentos diminutos llamados ¡°serpentinas¡±. En la propagaci¨®n de estas, algunos de sus puntos resplandecen con m¨¢s brillo y persistencia. Luque explica que, en estos fen¨®menos el¨¦ctricos, el intenso resplandor se debe al comportamiento de los electrones. En algunas zonas de la serpentina, los electrones se adhieren a mol¨¦culas de aire, lo cual incrementa la fuerza del campo el¨¦ctrico produciendo una luz m¨¢s intensa.

Los saltos

Esta explicaci¨®n no admite discusi¨®n, asegura Luque, pero lo que no sabemos es si un proceso an¨¢logo podr¨ªa explicar ¡ªcomo sospecha el astrof¨ªsico¡ª por qu¨¦ los rayos avanzan a saltos. En el contexto de estos ¨²ltimos, a alturas inferiores hay m¨¢s mol¨¦culas de aire, y es posible que la incorporaci¨®n de los electrones a ellas se produzca de una manera algo diferente, dando como resultado el patr¨®n ¡°a saltos¡±. Luque quiere verificarlo con su proyecto eLightning.

El investigador y su alumno Alejandro Malag¨®n-Romero formularon la hip¨®tesis en 2019. Ahora su equipo trabaja en el desarrollo de un modelo computacional de los rayos para comprobar si el proceso que predicen puede explicar el comportamiento discontinuo.

Saber por qu¨¦ los rayos avanzan a saltos no va a ayudarnos a conseguir que sean menos peligrosos, pero Luque opina que entender mejor el fen¨®meno quiz¨¢ sea ¨²til en muchos otros campos. Por ejemplo, las descargas pueden formarse alrededor de los tendidos el¨¦ctricos. En consecuencia, hay que dise?arlos para reducir el riesgo al m¨ªnimo. Estas descargas tambi¨¦n se utilizan en la industria, por ejemplo, en el tratamiento de los gases residuales e incluso en las fotocopias. Entender mejor c¨®mo funcionan podr¨ªa tener como resultado una mejora de los dise?os.

Puede parecer que los rayos son el arma m¨¢s peligrosa del arsenal de una tormenta el¨¦ctrica, pero estas tempestades tambi¨¦n pueden desatar vientos extraordinariamente fuertes.

El tiempo atmosf¨¦rico de Europa est¨¢ dominado por sistemas meteorol¨®gicos conocidos como ciclones extratropicales. Se trata de corrientes de aire en espiral que traen consigo viento y lluvia cuando atraviesan una zona. En una ciudad europea se producen por t¨¦rmino medio entre 70 y 90 al a?o, y los cient¨ªficos conocen bien su funcionamiento. Estas tormentas pueden ser fuertes, pero no siempre lo son.

Cada vez que se construye un edifico en Europa, los arquitectos tienen que asegurarse de que es capaz de soportar vientos fuertes, y el modelo que utilizan para ello se basa en los ciclones extratropicales. El problema es que no tienen en cuenta los vientos considerados poco frecuentes, como los que acompa?an a las tormentas el¨¦ctricas.

Ciclones y tormentas

Para entender por qu¨¦ esto es importante hay que conocer la diferencia entre ciclones y tormentas. En primer lugar, las tormentas son m¨¢s intensas que los ciclones. Mientras que un cicl¨®n puede durar tres d¨ªas, una tormenta puede haber pasado en 20 minutos. Por eso, en vez de con un viento moderado y continuo, nos encontramos con una tanda de r¨¢fagas muy poderosas. En segundo lugar, m¨¢s importante a¨²n es que la fuerza del viento var¨ªa dependiendo de la altura. Los ciclones son m¨¢s fuertes cuanto mayor es la altura. Las tormentas, por su parte, suelen originar vientos que arrancan a unos 100 metros de altura y soplan hacia abajo con m¨¢s fuerza a medida que descienden. ¡°Un viento normal sopla en paralelo a la superficie de la tierra, mientras que una tormenta sopla hacia abajo. Es totalmente distinto¡±, explica Giovanni Solari, profesor de la Universidad de G¨¦nova, en Italia.

Tomando estas consideraciones en conjunto, prosigue Solari, el resultado es que la ingenier¨ªa se esfuerza excesivamente en los edificios m¨¢s altos, principalmente los rascacielos, y demasiado poco en las construcciones y estructuras de menor altura, como las gr¨²as de los astilleros. Los 200 metros superiores de un rascacielos de 300 metros probablemente no reciban el empuje de una tormenta, pero los dise?amos como si fuesen a recibirlo porque nuestro modelo da por sentado que, a m¨¢s altura, m¨¢s fuerte es el viento. ¡°Estamos construyendo edificios demasiado seguros¡±, concluye. Por otro lado, una tormenta puede volcar una gr¨²a, ya que produce el viento m¨¢s fuerte a nivel del suelo.

¡°Antes se pensaba que las tormentas el¨¦ctricas eran poco frecuentes. La raz¨®n era que no pod¨ªamos verlas¡±

El objetivo de Solari con su proyecto Thunderr es corregir esta tendencia desarrollando un modelo de viento de tormenta que se pueda utilizar para ayudar a dise?ar edificios. De este modo, aumentar¨ªa la eficacia de las construcciones y se reducir¨ªan sus costes. El primer paso fue basarse en una tormenta artificial creada en uno de los t¨²neles de viento m¨¢s avanzados del mundo, en la Universidad de Ontario, en Canad¨¢, y elaborar un modelo de la misma. Seg¨²n Solari, esa fase ya ha concluido, y su modelo logr¨® reflejar con verosimilitud c¨®mo funcionan las tormentas artificiales. Pero eso era la parte f¨¢cil.

Actualmente, el ingeniero ha pasado a modelizar tormentas reales, que var¨ªan enormemente entre s¨ª. Como apoyo, ¨¦l y su equipo han construido una red de 45 torres meteorol¨®gicas alrededor de la costa mediterr¨¢nea, dise?adas para recopilar datos de los vientos producidos por las tormentas.

¡°Antes se pensaba que las tormentas el¨¦ctricas eran poco frecuentes¡±, observa Solari. ¡°La raz¨®n era que no pod¨ªamos verlas. La red ha generado una base de datos con 250 registros de tormentas. Ahora el plan es ajustar el modelo inicial para que tenga en cuenta todas esas tormentas diferentes y sea verdaderamente representativo¡±.

Este art¨ªculo ha sido originalmente publicado en ingl¨¦s en Horizon, la revista de investigaci¨®n e innovaci¨®n de la UE. La investigaci¨®n de este art¨ªculo fue financiada por la UE.

Traducci¨®n de NewsClips.

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