Frank Miller, autor del cómic “Batman: The Dark Knight Returns“, dijo alguna vez que el personaje de Batman es como un gran diamante que no se puede romper. Lo pueden tirar contra el techo o contra el piso, lo pueden golpear con un martillo, pero no puede romperse. Cada interpretación, cada nueva encarnación de Batman, de alguna forma u otra funciona (pueden aprovechar y ver la trilogía del caballero de la noche de Nolan, que está completa en Netflix). Y Batman permea tanto en la cultura popular que la famosa frase usualmente atribuida a Robin en las traducciones al español ni siquiera le pertenece, aunque todos la asociamos a Batman y a Robin. El verdadero dueño de la frase “Rayos y centellas” es el ebrio capitán Haddock en el cómic Las aventuras de Tintín del belga Hergé.
¿Pero cómo se electrifica la atmósfera y se producen los rayos (y centellas)? El aire es un dieléctrico y no conduce la electricidad. Así que para que se produzca el rayo, el medio debe sufrir un proceso de ruptura dieléctrica y volverse conductor. Pero comencemos por el principio, viendo cómo se electrifica la atmósfera. Este es un ejemplo interesante de una aplicación de la teoría electromagnética en medios dieléctricos, y cuyos detalles solo han sido bien comprendidos en los últimos años. También, muestra que un dieléctrico solo funciona como aislante hasta un potencial de ruptura, y por encima de esa diferencia máxima de potencial los portadores de carga se liberan y el material se vuelve conductor. Quienes quieran ver otro ejemplo muy pintoresco (pero peligroso) asociado a la ruptura dieléctrica, también pueden leer sobre figuras de Lichtenberg (un fenómeno que además tiene características fractales).
La electrificación de una nube comienza de la misma forma que acumulamos carga electrostática cuando frotamos materiales dieléctricos (como un peine contra nuestro pelo): los electrones pasan de un material a otro, y se genera un exceso de carga en uno y un defecto en el otro. En las nubes ocurre lo mismo cuando cristales de hielo chocan y rozan contra el graupel (pequeños granos de hielo o granizo muy chico). Esto ocurre constantemente por la turbulencia dentro de la nube, que arrastra las partículas y las hace chocar unas contra otras. Las partículas más livianas y cuya superficie está creciendo más rápido por condensación (los cristales de hielo) se cargan positivamente luego de cada una de estas colisiones, mientras que el graupel gana electrones y se carga negativamente. La gravedad hace el resto del trabajo: las partículas livianas (positivas) tienden a acumularse más arriba, y las más pesadas (negativas) más abajo, generando un gradiente en la densidad de carga electrostática. A su vez, las cargas negativas en la base de la nube inducen una carga opuesta en la superficie de la tierra. Todo este proceso se ha conseguido observar y medir, en las últimas décadas, en experimentos bajo condiciones controladas en el laboratorio.
Luego que las cargas están separadas, el gradiente en la densidad de carga eléctrica (en altura, o en la dirección z) genera una diferencia de potencial y un campo eléctrico, ya que
Pero este campo eléctrico no es lo suficientemente intenso como para generar la ruptura dieléctrica del aire. Los materiales dieléctricos solo se “rompen” y se vuelven conductores cuando se alcanza el potencial de ruptura, que para el aire corresponde a un campo eléctrico de » 3 x 106 V/m. Así, la ruptura dieléctrica en lugar de ocurrir en simultáneo a lo largo de toda la columna de aire que conecta la tierra con la nube, se inicia localmente en algún punto donde el gradiente de carga y el campo eléctrico es muy intenso. Esa ruptura a su vez genera nuevos gradientes de carga y de potencial entre los extremos de la region que sufrió la ruptura con el resto de la nube, y el “canal” de conducción que se forma se comienza a propagar en ambas direcciónes, hacia arriba y hacia abajo, generando el rayo.
Los que quieran una descripción más detallada desde el electromagnetismo del proceso de formación de un rayo pueden leer las primeras dos secciones del siguiente paper. Noten que el trabajo es de 2013, y todavía quedan muchas preguntas por responder:
