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Electrificación en tormentas
por h[e]rtz

El relámpago es de los fenómenos naturales mas comunes. Desde que Benjamín Franklin demostró que el rayo era una descarga eléctrica gigantesca, relámpagos, rayos y tormentas han sido objeto de numerosas investigaciones científicas.
En 1752 se observó que en las nubes de una turbonada tormentosa se hallan, en un estado negativo de electrificación, pero que en algunas ocasiones se encuentra en estado positivo.
Se ha aceptado que el relámpago es el paso de carga eléctrica, positiva o negativa, de una región de la nube a otra, y el rayo el tránsito equivalente de nube tierra. Por lo tanto la nube debe hallarse electrificada, es decir, las cargas eléctricas positivas deben estar separadas de las negativas.
Los fenómenos microfísicos  pueden provocar que las cargas se separen, es decir, que en una región poseerá más cargas positivas o negativas que la otra.
La separación de cargas se mide en volt, cuanto mayor separación, mayor es el voltaje.
En un principio el rayo se trataba como una estructura en dipolo. Para explicar esta supuesta estructura dipolar de las nubes, se tratan dos modelos muy diferentes: la hipótesis de la precipitación y la hipótesis de la convección.
La hipótesis de la precipitación supone que las gotas de lluvia, el pedrisco y las partículas de granizo en una tormenta son atraídas hacia abajo por la gravedad a través del aire, dejando atrás gotas de agua menores. Las colisiones entre las grandes partículas de precipitación y la neblina de gotitas de agua y cristales de hielo, al parecer, cargan negativamente las partículas de precipitación; además por conservación de la carga total, la neblina se carga positivamente. De aquí que, si las partículas de precipitación se cargan negativamente, la parte más baja de la nube irá acumulando carga negativa y la parte superior carga positiva.
En cambio el modelo de convección supone que las cargas eléctricas de la nube proceden, inicialmente de los rayos cósmicos y un campo eléctrico. Los rayos cósmicos inciden sobre las moléculas del aire por encima de la nube y las ionizan. Y el intenso campo eléctrico que ciñe objetos puntiagudos de la superficie de la tierra  produce una descarga en corona de iones positivos. El aire caliente los transporta hacia arriba; este asciende por convección.
Una vez han alcanzado las regiones superiores de la nube, esos iones positivos atraen a los negativos que los rayos cósmicos habían formado encima de la nube. Los iones negativos penetran en la nube y se unen rápidamente a gotitas de agua o cristales de hielo, creando así una capa pantalla cargada negativamente. Las corrientes de aire descendentes en la periferia de la nube transportan las partículas cargadas negativamente de la capa protectora hacia abajo; el resultado vuelve a ser la formación de una estructura de dipolo positivo. En todas las nubes que producen relámpagos se observan precipitación y convección. La hipótesis elemental de la precipitación no requiere la convección, ni viceversa.
Un poco mas tarde se decía que la estructura básica de una nube tormentosa era la de un dipolo positivo, hasta que se llegó a la conclusión opuesta; la región inferior de una nube tormentosa estaba cargada positivamente y la superior lo estaba negativamente, formando pues un dipolo negativo.
De todas maneras a medida en la que la evolución del estudio de las tormentas progresa, se llega a la conclusión de que la estructura básica de las nubes tormentosas no es dipolar, sino tripolar: hay una región principal de carga negativa en el centro, con una región de carga positiva encima de ella y una segunda región, menor, de carga positiva debajo de aquélla.   
Los campos eléctricos más intensos de la nube tormentosa se encuentran en las fronteras superior e inferior de la capa principal de carga negativa.
La región inferior de carga positiva es tan pequeña que el campo eléctrico se halla a veces determinado por la carga negativa principal. Se observa una capa de carga negativa por encima de la región positiva superior. Esta capa puede proceder de iones negativos, producidos encima y fuera de la nube, capturados después por las gotitas de agua o las partículas de hielo de la nube; se trata de la capa apantalladora predicha por la hipótesis de la convección; la capa pantalla parece ser una característica secundaria que no altera apreciablemente la estructura básica tripolar de la nube.
La estructura tripolar de las nubes exige algunas modificaciones del modelo de precipitación, aunque se han propuesto varios arreglos que permitían explicar la región positiva inferior y dar razón de que la lluvia suele llevar carga positiva.
De otra manera, el modelo de convección conducía, a una estructura tripolar ya que admitía la descarga en corona.
Lo que si sabemos es que la mayoría de las partículas positivamente cargadas que caen debajo de la región principal de carga negativa no son gotitas, sino hielo.
Sabiendo también que las partículas de hielo adquirían una fuerte carga positiva al fundirse. Aunque no parece que la fusión del hielo cause la estructura tripolar observada, las colisiones entre los cristales de hielo y las partículas de granizo blando es una prueba considerable.
Cuando las partículas de granizo blando chocan con los cristales de hielo, la polaridad de la carga que pasa a las partículas depende notablemente de la temperatura.
Por debajo de una temperatura crítica llamada temperatura de inversión de carga, donde las partículas se cargan negativamente a temperaturas más altas .
La hipótesis de la inversión de carga explica porqué las cargas negativas se encuentran con menos frecuencia por debajo de esa altura: las partículas de granizo blando se cargan positivamente al caer a través de los cristales de hielo suspendidos y colisionar con ellos. Estas cargas positivas que caen forman la región inferior positiva del tripolo.
Se ha observado también que las máximas tasas de producción de rayos se hallan asociadas al movimiento ascendente del granizo blando y granizo por encima de la región principal de carga negativa. Así pues esta explicación contradice la hipótesis de la precipitación en la que solo las partículas de granizo blando que se movían hacia abajo causaban la electrificación. El movimiento relativo entre los cristales de hielo y el granizo blando es la razón probable de la separación de cargas a gran escala.
Las corrientes descendentes están también asociadas a la intensa precipitación que se produce cuando se agotan las corrientes ascendentes.
En el modelo de convección, las corrientes de aire transportan las partículas cargadas negativamente desde la capa apantalladora hacia varios kilómetros abajo.
Una vez que la nube tormentosa se ha cargado hasta el punto en que el campo eléctrico excede la rigidez dieléctrica local de la atmósfera, esto es la capacidad de la atmósfera para mantener una separación de cargas eléctricas, el resultado es un relámpago. Durante esa fracción de segundo, la energia electroestática de la carga acumulada pasa a energia electromagnética, energia acústica y finalmente en calor.
Las chispas se producen en regiones con precipitación o sin ella, dentro y fuera de las nubes; sus trayectorias suelen ser aleatorias.
Además que la distribución de carga y el campo no son estáticos sino dinámicos.
Descubrimos que el rayo se producía en donde el campo eléctrico se torna más intenso; el rayo asciende entonces a través de la región de máxima carga negativa.
Se cree que la mayor parte de la energía eléctrica de una tormenta se libera en forma de rayos.
La energía eléctrica liberada por los rayos debe proceder de alguna parte. Se sabe que proviene del calor que provoca la expansión del vapor de agua, se haga éste menos denso que el aire exterior y ascienda. Durante la ascensión, el vapor se va condensando en forma líquida o sólida; el calor latente se desprende y el agua líquida o hielo comienzan a caer. La energía potencial gravitatoria liberada por la precipitación que cae es la energía disponible para electrificar las nubes; se calcula multiplicando la fuerza gravitatoria ejercida sobre la precipitación por la distancia caída.
La atmósfera terrestre constituye un aislante de extraordinaria calidad ya que está situada entre dos conductores: la superficie terrestre abajo y la alta atmósfera. Estas capas son componentes pasivos del circuito eléctrico global.
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