Rayo

¿Qué es un rayo?

Es una descarga eléctrica muy potente que por lo general se produce en una tormenta madura, en presencia de una nube cumulonimbus. Ocasionalmente también se han registrado rayos en nubes nimbostratus, pero es algo muy raro de ver. 

Los rayos son mayormente observables en zonas marítimas, áreas elevadas o zonas boscosas, pero pueden ocurrir en cualquier lugar del mundo donde sea posible el desarrollo de tormentas. Algunos factores que entran en juego para determinar su posibilidad de ocurrencia son la probabilidad de formación de tormentas, la humedad del entorno, la altura de los elementos en un área específica y el material con el que estos están construidos.

Cuando se genera, puede calentar el aire del canal por el que circula hasta una temperatura de 30.000ºC (5 veces más que la superficie del sol). Este calentamiento es suficiente como para provocar una expansión violenta del aire y producir una onda de choque con un sonido muy fuerte, conocido como «trueno». Además, durante la descarga también se produce un efecto luminoso que esclarece momentáneamente una porción del cielo, llamado «relámpago».

Para que se produzca un rayo, se necesita una gran diferencia de potencial eléctrico entre dos zonas con cargas opuestas. Esto ocurre comúnmente cuando se desarrolla una nube de gran crecimiento vertical, ya que las corrientes de aire en su interior provocan choques entre partículas de granizo y pequeños cristales de hielo, y generan una transferencia de electrones muy significativa, que da como resultado la electrificación de la nube o una polarización de la misma. 

La descarga puede ocurrir dentro de la misma nube, entre dos nubes, o entre la nube y la superficie, dado que esta última también se carga a medida que lo hace la base de la nube. La mayoría de los rayos se producen dentro de las nubes, y solo el 20% ocurren entre una nube y el suelo. Aunque estos últimos son los que más nos preocupan, ya que pueden herir de gravedad a las personas o animales, ocasionar incendios y dañar aparatos eléctricos. 

Se estima que alrededor de 44.000 tormentas se producen por día en todo el planeta, y unos 8.600.000 rayos golpean la superficie. Esto es equivalente a unos 100 rayos por segundo. Si bien las descargas “nube-tierra” no son las más frecuentes, siempre implican un riesgo. Aunque sea poco probable que nos impacte un rayo, hay que tomar las precauciones necesarias ante una tormenta eléctrica. Principalmente, no debemos quedarnos cerca de objetos o lugares que puedan atraer descargas, como los árboles.

¿Cuáles son sus características?

Los rayos se producen con una potencia que puede superar los mil millones de vatios (comparable a una explosión nuclear) y elevar la temperatura del aire hasta los 30.000ºC. 

Las descargas ocurren a una velocidad media de 440 km/s, pero pueden llegar a ser mucho más veloces y alcanzar los 1.400 km/s. En cuanto a la distancia que recorren, la longitud promedio de un rayo ronda los 1500 metros, pero en algunos casos la extensión puede ser de hasta cientos de kilómetros. Por ejemplo, el 29 de abril de 2020 se registró una descarga con una extensión horizontal de casi 768 km, que alcanzó 3 estados en el sur de EEUU.

Cuando se produce un rayo, se genera un sonido muy fuerte asociado a la expansión abrupta del aire que se calienta (trueno), y un destello luminoso en el cielo (relámpago). Si bien estos fenómenos son consecuencia de la misma descarga eléctrica, no ocurren al mismo tiempo. Como la luz viaja mucho más rápido que el sonido (casi 300 mil km/s contra 343 m/s), primero percibimos el efecto lumínico que esclarece el cielo, es decir, el relámpago. Luego podremos escuchar un fuerte estruendo, osea el trueno. El tiempo que transcurre entre uno y otro, depende de la distancia a la que nos encontremos de la nube donde se genera la descarga. Mientras más lejos estemos, mayor será el retraso. De hecho, este último nos permite estimar qué tan cerca estamos de la nube de tormenta: Si contamos los segundos que pasan entre el relámpago y el trueno, y los dividimos por 3, vamos a obtener una distancia aproximada en kilómetros.   

Es importante resaltar que los rayos nube-tierra no “caen” al suelo, sino que se originan tanto desde la nube como desde la superficie. Esto se debe a que, mientras se acumulan cargas (generalmente negativas) en la base de la nube, cargas de signo opuesto (generalmente positivas) son atraídas hacia el área de superficie que se encuentra por debajo. Entonces, cuando la diferencia de potencial eléctrico es lo suficientemente grande, las cargas opuestas parten a su encuentro, primero desde la nube y luego desde el suelo, hasta que se produce el rayo.

¿Cómo se forman?

Para que se produzca un rayo, primero es necesaria la electrificación de la nube. Esto sucede cuando el granizo o graupel que contiene la nube, cae en un entorno de agua sobreenfriada y cristales de hielo. 

Las nubes cumulonimbus se caracterizan por ser nubes de gran crecimiento vertical que pueden alcanzar los 12 km de altitud. Su estructura comprende dos corrientes verticales de aire, una ascendente que se origina cerca de la superficie, y otra descendente asociada a la caída de hidrometeoros (lluvia o granizo). La corriente ascendente arrastra las pequeñas partículas de agua sobreenfriada y hielo hacia la parte superior de la nube, pero en el camino chocan con el granizo que cae por la gravedad. Estas colisiones permiten la transferencia de iones positivos desde las superficies más cálidas (granizo) hacia las más frías (pequeños cristales). Por este motivo, el granizo que se dirige hacia la base de la nube queda cargado negativamente, y las partículas cristalinas que son desplazadas hacia niveles más altos quedan con carga positiva. Esto explica el tipo de polaridad frecuente en las cumulonimbus, dado que en su etapa madura se presentan con cargas mayormente negativas en la base y positivas en el tope.

Como las cargas de distinto signo se atraen, la parte inferior de la nube (cargada negativamente) provoca la acumulación de cargas positivas en la superficie, justo por debajo, que suelen concentrarse más en las protuberancias del terreno como árboles, antenas o edificios. De esta manera, se establece una diferencia de potencial eléctrico entre el suelo y la base de la nube, que finalmente dará lugar a la descarga.

El canal de la descarga comienza a formarse en el interior de la nube, pero cuando este se aproxima lo suficiente a la superficie, el gradiente de potencial eléctrico se incrementa y provoca que una corriente de cargas positivas se desplace desde el suelo hasta el flujo descendente. Cuando ambas corrientes se encuentran, primero un gran número de electrones fluyen hacia la superficie, y después se origina una descarga de retorno (mayor y más luminosa) desde el suelo hacia la nube, por el mismo camino que la primera descarga. Como esto ocurre a una diezmilésima de segundo, el ojo humano no logra captar toda la secuencia. Por eso percibimos el fenómeno como un flash contínuo.

En algunas ocasiones, en los objetos con punta (como árboles, antenas, pararrayos y hasta dedos de la mano), se observa una luminosidad muy particular que anticipa la caída del rayo. Este fenómeno se conoce como «fuego de san telmo», y es un indicador de que se están acumulando cargas positivas cerca de la superficie. 

Tipos de descargas

Las descargas eléctricas pueden ocurrir de varias maneras, ya que estas son generadas por una diferencia de potencial eléctrico entre dos zonas que pueden estar en una misma nube, en diferentes nubes, o en una nube y la superficie. A raíz de esto, se pueden diferenciar distintos tipos de descarga, según el origen y el final del canal de destello.

• Descargas dentro de la nube (intranubosas): Se generan en el interior de una única nube de tormenta, y describen a la mayoría de los rayos. El canal previo a la descarga comienza en la parte inferior de la nube, donde se acumulan las cargas negativas, y continúa formándose hacia arriba, hasta el encontrarse con las cargas positivas. El rayo presenta una luminosidad casi continua, y cuando alcanza el tope de la nube se divide en ramas horizontales.     
• Descargas entre dos nubes (internubosas): Se generan entre dos nubes de tormenta diferentes. Ocurren de manera similar a las descargas intranubosas, pero en este caso el canal por el que circulan las cargas se origina entre áreas opuestamente cargadas de diferentes nubes.
• Descargas nube-tierra: Se generan entre una nube de tormenta y la superficie terrestre, y el rayo comienza a formarse en el interior de la nube. Mayormente se presentan con una acumulación de cargas negativas en la base de la nube y cargas positivas cerca del suelo, pero también puede ocurrir lo contrario. 

• Llamamos «descarga negativa» al primer tipo (el más común), ya que el canal de destello se origina en una zona cargada negativamente. Los rayos que se forman de esta manera se acercan a la superficie por tramos (cada 50 milisegundos aproximadamente) y su punta suele dividirse en varias ramas antes de llegar al suelo. 
• Por otra parte, decimos que es una «descarga positiva» cuando el canal se forma desde una zona de la nube cargada positivamente. Los rayos que se forman de esta manera transportan una carga eléctrica mayor, y son potencialmente más destructivos que las descargas negativas.
• Descargas tierra-nube: Tienen una naturaleza similar a las descargas nube-tierra, pero el canal de destello no se origina dentro de la nube, sino desde estructuras elevadas o montañas. Su ocurrencia está mayormente ligada a estructuras metálicas como edificios y torres de comunicación muy altas, cuyos extremos pueden iniciar la descarga al potenciar el campo eléctrico.

Tipos de rayos

Como este fenómeno puede ocurrir con una gran variedad de patrones visuales, además de diferenciar los tipos de descarga por cómo se origina el canal de destello, también se puede clasificar los rayos por su aspecto. Algunos tipos son:

• Rayo traza: Es el tipo de rayos nube-tierra más común de observar. Tiene una estructura ramificada. 
• Rayo perla: Es un tipo de rayo nube-tierra que se presenta como una descarga en cadena, es decir, con un canal luminoso que se forma por secciones cortas. Son muy brillantes y duran más que una descarga habitual. 
• Rayo staccato: Es un tipo de rayo nube-tierra que se manifiesta como un único trazo de corta duración. Suele ser muy brillante y por lo general se ramifica bastante. 
• Rayo bifurcado: Es un rayo nube-tierra que muestra una bifurcación en su recorrido.
• Rayo cinta: Ocurre durante tormentas intensas con fuertes vientos cruzados. La trayectoria de cada descarga de retorno se ve desplazada ligeramente por el viento, y se produce un efecto visual de réplica.
• Rayo rastreador de yunque (anvil crawler): También conocido como rayo araña, es una descarga intranubosa que se origina en el yunque de una nube de tormenta madura (a unos 10 km de altura aproximadamente). Se caracteriza por presentar descargas relativamente lentas y un sonido (trueno) bastante suave.
• Rayo caído del cielo (bolt from the blue): Es una descarga a tierra que tiene lugar lejos de la nube de tormenta que lo genera. La distancia horizontal puede alcanzar los 10 km, por eso también es conocido como rayo de cielo despejado, dado que puede caer en áreas sin nubosidad presente. Suele originarse en el yunque de una cumulonimbus. 

Lugares donde son más probables los rayos

• Bosques, árboles y parques: La humedad propia de zonas forestales, favorece y atrae los rayos. Al mismo tiempo, al estar más elevados que el suelo, también aumenta la probabilidad. 
• Antenas y edificios: Los  rayos suelen caer en objetos más altos que los que hay a su alrededor, y más todavía si son metálicos. Por tal motivo, las antenas y los postes de los edificios son unos de los lugares que más caídas de rayos reciben, y suelen estar protegidos con pararrayos.
• Zonas elevadas: Las zonas elevadas, como por ejemplo la de los Pirineos, son una de las regiones del mundo que mayor concentración de caída de rayos presentan.