?Cu¨¢nta energ¨ªa hay en un rayo?

Durante la mayor parte de la historia humana, a la gente le han asustado los rayos. Como aterradoras descargas procedentes del cielo, los rayos eran una herramienta de los dioses para castigar a los mortales por su arrogancia (o su desafortunada tendencia a refugiarse de las tormentas bajo los ¨¢rboles). El descubrimiento y uso del pararrayos de Benjamin Franklin domestic¨® a esta arma divina antes formidable.

No obstante, la fuerza de los rayos a¨²n pervive en nuestra imaginaci¨®n. Hollywood los considera lo bastante potentes para permitir que coches de extra?o dise?o de principios de la d¨¦cada de 1980 rompan el continuo espacio-tiempo. En el mundo de los c¨®mics, es uno de los ingredientes de la receta para conseguir superpoderes. Tambi¨¦n se les ha conferido la capacidad de resucitar a los muertos, aunque no siempre con el resultado deseado.

?Y cu¨¢nta energ¨ªa hay de hecho en un rayo? Resulta dif¨ªcil de responder en t¨¦rminos cuantitativos

?Y cu¨¢nta energ¨ªa hay de hecho en un rayo? Puede parecer que esta pregunta ya deber¨ªa tener una respuesta definitiva, pero resulta dif¨ªcil de responder en t¨¦rminos cuantitativos. En nuestras investigaciones, hemos abordado el asunto de un modo nuevo: hemos deducido la magnitud de un rayo a partir del tama?o de las rocas formadas por ¨¦l.

C¨¢lculos aproximados

Est¨¢ claro que un rayo es muy potente: no hay m¨¢s que fijarse en un ¨¢rbol partido por la mitad para constatarlo. Los rayos generan temperaturas m¨¢s altas que la de la superficie solar, por encima de 20.000 grados Celsius, temperatura que, por lo dem¨¢s, es impensable para los seres humanos.

Esta medici¨®n de la temperatura ofrece un modo de calcular la energ¨ªa de un rayo. Se requiere una determinada cantidad de energ¨ªa para calentar el aire hasta una temperatura elevada. Si se mide la longitud de un rayo y esta se multiplica por la energ¨ªa por metro necesaria para calentar el aire hasta decenas de miles de grados, se puede calcular la energ¨ªa del rayo.

Tambi¨¦n podemos abordar la medici¨®n de la energ¨ªa de un rayo teniendo en cuenta el voltaje de una descarga. Un voltio es una medida de la cantidad de energ¨ªa liberada cuando cada paquete de electrones pasa de un lado de un objeto a otro (por ejemplo, en una pila). Cuando cae un rayo, podemos averiguar el voltaje que genera en las l¨ªneas el¨¦ctricas cercanas, que oscila entre cientos de miles y millones de voltios. A partir de la Ley de Ohm, se puede calcular la potencia del rayo multiplicando el voltaje por el n¨²mero de electrones que se mueven durante la descarga, lo que se conoce como corriente. Si conocemos la duraci¨®n de esta descarga, podemos calcular la energ¨ªa a continuaci¨®n.

Un voltio es una medida de la cantidad de energ¨ªa liberada cuando cada paquete de electrones pasa de un lado de un objeto a otro

Estos m¨¦todos conllevan una gran variedad de errores: calcular mal la longitud del rayo, equivocarse en la cantidad de gas calentado por metro, o en la temperatura, el voltaje o el n¨²mero de electrones (todos ellos, errores bastante grandes en el contexto de este c¨¢lculo).

?Existir¨ªa otra manera de calcular la energ¨ªa de un rayo, que redujese algunos de estos errores? Las extraordinarias caracter¨ªsticas geol¨®gicas de Florida ofrecen una v¨ªa interesante mediante la que responder a esa pregunta.

Rayos fosilizados

Florida suele ser una zona bastante aburrida para los amantes de las rocas. Hay arena y hay caliza. No mucho m¨¢s, y todo es reciente, en t¨¦rminos geol¨®gicos. En algunos casos, la arena se deposit¨® hace 15 millones de a?os y, en otros, hace cinco millones. Eso es mucha arena.

El clima de Florida es un poco m¨¢s interesante; de hecho, es el estado de EE UU en el que caen rayos con m¨¢s frecuencia. Muchas veces, estos rayos caen en la arena que cubre la superficie del estado. Cuando esto sucede, se forma una nueva clase de roca, llamada fulgurita (un tubo hueco que se forma cuando el rayo atraviesa la arena, la vaporiza y derrite el borde exterior. Cuando la arena se enfr¨ªa, cosa que sucede enseguida, el tubo hueco se convierte en un vidrio que registra el recorrido del rayo. Por definici¨®n, una fulgurita es una roca metam¨®rfica que, transformada por el calor y la presi¨®n, deja de ser arena y se convierte en algo nuevo.

Las fulguritas suelen escasear, a menos que se sepa d¨®nde buscar. El centro de la zona peninsular de Florida alberga varias minas de arena que proporcionan materia prima para la fabricaci¨®n de carreteras, cemento, campos de golf y pistas deportivas. En uno de esos yacimientos, hemos encontrado varios centenares de fulguritas; m¨¢s de 250 se encontraban en el suelo, y muchas m¨¢s en montones de escombros, filtradas de la arena antes de que esta fuese cargada en camiones.

Una fulgurita es una roca metam¨®rfica que, transformada por el calor y la presi¨®n, deja de ser arena y se convierte en algo nuevo

Estos yacimientos no son, de hecho, distintos de cualquier otra zona de Florida ¡ªno son una especie de im¨¢n para los rayos¡ª, pero el entorno geol¨®gico es el adecuado para que se conserven durante mucho tiempo. Estas minas de arena probablemente contengan fulguritas acumuladas desde hace un mill¨®n de a?os. Son f¨¢ciles de encontrar: como el vidrio no es algo deseable en la arena comercial, en la mina lo filtran y lo desechan.

El grosor de las fulguritas oscila entre, aproximadamente, el del dedo me?ique de un beb¨¦ y el del brazo de un hombre adulto. Las m¨¢s gruesas tuvieron que formarse por el impacto de rayos con mucha m¨¢s energ¨ªa: una fulgurita m¨¢s gruesa equivale a una mayor cantidad de arena vaporizada. La mayor¨ªa de las fulguritas que hemos encontrado son fragmentos cortos, aunque las m¨¢s largas med¨ªan uno o dos metros.

C¨¢lculos basados en las fulguritas

Se necesita una cantidad espec¨ªfica de energ¨ªa para vaporizar la arena. Primero, la arena debe calentarse hasta los 1.700 ¡ãC, aproximadamente la temperatura de la lava fundida. A esta temperatura, la arena se derrite. La arena derretida se tiene que calentar a continuaci¨®n hasta unos 3.000 ¡ãC, punto en el que se vaporiza. Hacen falta unos 15 megajulios de energ¨ªa para calentar y vaporizar un kilogramo de arena. Es aproximadamente la cantidad de energ¨ªa que una familia estadounidense media consume en seis horas, o la energ¨ªa cin¨¦tica que tendr¨ªa un coche medio si se moviese a 483 kil¨®metros por hora.

Tras medir nuestras fulguritas, llegamos a la conclusi¨®n de que la energ¨ªa media necesaria para formar esas rocas fue de al menos un megajulio por metro de fulgurita formada. Calculamos la energ¨ªa por metro porque, nuevamente en la mayor¨ªa de los casos, las fulguritas que recogimos estaban rotas.

Hacen falta unos 15 megajulios de energ¨ªa para calentar y vaporizar un kilogramo de arena

As¨ª que, seg¨²n nuestros c¨¢lculos, ?cu¨¢nto se acerca Hollywood con c¨¢lculos como los de Regreso al futuro, de 1,21 gigavatios de potencia en un rayo? La potencia es la energ¨ªa en funci¨®n del tiempo, y nuestras mediciones de las fulguritas indican que con megajulios de energ¨ªa se forman rocas en milmillon¨¦simas de segundo. De modo que un gigavatio se queda corto en realidad; la potencia de un rayo podr¨ªa ser 1.000 veces superior, con lo que llegar¨ªa al teravatio, aunque el valor medio seguramente sea de decenas de gigavatios.

Con esa energ¨ªa se proporcionar¨ªa electricidad a unos 1.000 millones de casas, aunque solo durante unas millon¨¦simas de segundo. Por desgracia, dada su espor¨¢dica e impredecible naturaleza, ninguna red el¨¦ctrica podr¨¢ nunca aprovechar los rayos de forma eficaz. Pero con tant¨ªsima energ¨ªa, puede que romper el continuo espacio-tiempo en un Delorean tuneado no sea tan inviable, despu¨¦s de todo...

Una singularidad en el patr¨®n

Cuando estudiamos a fondo las fulguritas, los datos arrojaron un resultado extra?o. Nuestras mediciones de energ¨ªa segu¨ªan lo que se conoce como un patr¨®n ¡°logar¨ªtmico normal¡±.

En el caso de los rayos, los grandes eran mucho mayores que la media, mientras que los m¨¢s peque?os no eran mucho m¨¢s peque?os que la media

En lugar de seguir la curva en forma de campana que suele tener la distribuci¨®n de los fen¨®menos naturales ¡ªpor ejemplo, la estatura de los hombres estadounidenses¡ª, la curva de la energ¨ªa presentaba un equilibrio m¨¢s desigual. En el caso de la altura, hay el mismo n¨²mero de hombres situados cinco cent¨ªmetros por encima y cinco cent¨ªmetros por debajo de la estatura media. Pero, en el caso de los rayos, los grandes eran mucho mayores que la media, mientras que los m¨¢s peque?os no eran mucho m¨¢s peque?os que la media. Los rayos que duplicaban la media eran tan frecuentes como los que se correspond¨ªan con la mitad de la media.

Ahora bien, ?qu¨¦ inter¨¦s o utilidad podr¨ªa tener este hallazgo? Medir la energ¨ªa de los rayos es una forma de medir los da?os que pueden causar: si un rayo es capaz de vaporizar una roca, ?qu¨¦ har¨ªa con la madera o los aparatos electr¨®nicos? Nuestras mediciones ponen de manifiesto que los rayos m¨¢s grandes son m¨²ltiplos de los rayos de magnitud media: uno grande puede ser 20 veces mayor que uno medio, lo cual es mucho para un sistema de protecci¨®n antirrayos. La energ¨ªa m¨¢xima calculada mediante nuestro m¨¦todo de las fulguritas nos da una idea del da?o m¨¢ximo que podemos esperar y, en ¨²ltima instancia, nos permite estar mejor preparados para las peores situaciones posibles.

Matthew Pasek es Catedr¨¢tico adjunto de Ciencias Geol¨®gicas (Universidad del Sur de Florida).

Cl¨¢usula de divulgaci¨®n: Matthew Pasek recibe financiaci¨®n de la secci¨®n de Exobiolog¨ªa y Biolog¨ªa Evolutiva de la NASA (beca NNX14AN96G).

Este art¨ªculo fue publicado originalmente en ingl¨¦s en la web The Conversation.

Traducci¨®n de News Clips.