Imagínese acostado en una colina verde viendo pasar las nubes en un hermoso día. Las nubes en las que probablemente estás pensando son nubes acumuladas, los que se asemejan a esponjosas bolas de algodón. Parecen bastante inocentes. Pero pueden convertirse en cumulonimbus más formidables, la nube de tormenta. Estos son los monstruos que producen truenos y relámpagos. Son poderosos, destructivo e intensamente misterioso. También pueden volverse mucho más comunes, lo que hace que la comprensión de su funcionamiento y sus efectos en el mundo humano, incluyendo cómo construimos edificios o líneas eléctricas, más importante que nunca.

Muchas nubes se forman cuando el aire cálido y húmedo se eleva a grandes altitudes, donde se enfría y se condensa en gotas de agua. Las tormentas eléctricas ocurren cuando una nube que se forma de esta manera rápidamente crece mucho, aspirando cada vez más vapor de agua. Casi siempre sigue la precipitación y los fuertes vientos racheados. Y por supuesto, relámpago. Los relámpagos pueden parecer bastante raros, pero ha sucedido unas 700 veces (recibimos alrededor de 100 golpes por segundo) en algún lugar del mundo en el tiempo que le ha llevado leer esta oración.

Los rayos y las tormentas eléctricas parecen ser cada vez más comunes y hay sugerencias de que esto continuará como resultado del calentamiento global. En 2014, El profesor David Romps de la Universidad de California, Berkeley, NOSOTROS, desarrolló un modelo atmosférico que predijo que los rayos aumentarán en un 12% por cada grado de calentamiento de la Tierra. Hay algunos indicios de que esto podría estar sucediendo ya. Investigadores de los Países Bajos han analizado el número de incendios provocados por rayos en los bosques de Alaska y Canadá y han descubierto que han aumentado entre un 2% y un 4% anual durante los últimos 40 años.

No entendemos bien los rayos. Si, por ejemplo, Debes filmar un rayo y reproducirlo en cámara superlenta, notarías que la huelga avanza por pasos. Se detiene un rato a intervalos antes de continuar, dice el Dr. Alejandro Luque del Instituto de Astrofísica de Andalucía en Granada, España. Pero no sabemos por qué sucede esto. Dice que hay algunos artículos sobre esto, pero esencialmente no hay teorías aceptadas.

Sprites

El Dr. Luque cree que podría tener algunas ideas sobre el problema, sin embargo, a través de su trabajo estudiando un fenómeno eléctrico aún más increíble pero mejor entendido:los sprites.

Los sprites son enormes Chorros de luz de colores que se producen entre 50 y 90 kilómetros sobre el suelo, mucho más alto que las tormentas eléctricas. Se dudó de su existencia durante años, ya que son difíciles de ver desde el suelo. El Dr. Luque los estudió principalmente mirando fotografías tomadas por aviones de investigación.

Aunque son menos familiares que los relámpagos, la física de los sprites es más fácil de estudiar porque, a tanta altura, hay poco aire, por lo que las descargas eléctricas ocurren más lentamente y a temperaturas más frías. Los rayos crean temperaturas más calientes que la superficie del sol. Pero el Dr. Luque dice que los canales de descarga de los sprites tienen "más o menos la misma temperatura que el aire circundante".

Los canales de los sprites están hechos de muchos filamentos diminutos llamados serpentinas. Y a medida que se propagan las serpentinas, algunos puntos dentro de ellos brillan con más intensidad y persistencia. En sprites, el resplandor brillante es gracias al comportamiento de los electrones, dice el Dr. Luque. En algunas áreas del streamer, los electrones se adhieren a las moléculas de aire y esto aumenta la fuerza del campo eléctrico, produciendo una luz más brillante.

Pasos

Esta explicación no es controvertida, dice el Dr. Luque, pero lo que no sabemos es si —como sospecha— un proceso análogo podría explicar por qué el rayo en sí avanza por pasos. En el contexto de un rayo, en altitudes más bajas, hay más moléculas de aire y la unión de electrones a ellas podría funcionar de una manera ligeramente diferente para producir el patrón escalonado. El Dr. Luque quiere averiguar si esto es correcto a través de su proyecto eLightning.

Él y su alumno Alejandro Malagón ‐ Romero establecieron esta hipótesis en 2019. Su equipo ahora está trabajando en la construcción de un modelo computacional de rayos para probar si el proceso que esperan puede explicar el comportamiento de pasos.

Comprender por qué los rayos avanzan por pasos no nos ayudará a hacerlo menos peligroso. Pero el Dr. Luque dice que comprender mejor el fenómeno podría ser útil en todo tipo de otras áreas. Por ejemplo, las descargas pueden formarse alrededor de las líneas de energía eléctrica, por lo que deben diseñarse para minimizar esto. Estas descargas también se utilizan en la industria, por ejemplo, en la higienización de gases residuales industriales e incluso en fotocopiadoras. Una mejor comprensión de cómo funcionan podría conducir a diseños mejorados.

Los rayos pueden parecer el arma más peligrosa en el arsenal de una tormenta eléctrica, pero estas tormentas también crean vientos inusualmente fuertes.

El clima de Europa está dominado por sistemas de aire conocidos como ciclones extratropicales, corrientes de aire en espiral que traen consigo viento y lluvia mientras barren una región. La ciudad europea promedio ve entre 70 y 90 al año y los científicos tienen una buena comprensión de cómo funcionan. Estas tormentas pueden ser fuertes aunque no siempre lo son.

Siempre que se construye un edificio en Europa, los diseñadores deben asegurarse de que pueda soportar fuertes vientos y los modelos que utilizan para esto se basan en ciclones extratropicales. El problema con esto es que no tiene en cuenta los vientos que se cree que son raros, como los de las tormentas eléctricas.

Tormentas

Para entender por qué esto importa, necesita comprender la diferencia entre ciclones y tormentas eléctricas. Primero, Las tormentas eléctricas son más intensas que los ciclones. Mientras que un ciclón puede durar tres días, una tormenta eléctrica puede terminar en 20 minutos. Entonces, en lugar de un moderado, con viento sostenido se produce una racha de rachas muy fuertes. Segundo, y más importante, Así es como varía la fuerza de los vientos en función de la altitud. Los ciclones se vuelven cada vez más fuertes en las alturas. Tormentas eléctricas por otra parte, tienden a producir vientos que comienzan a unos 100 m hacia arriba y soplan hacia abajo, con el viento cada vez más fuerte a medida que desciende. 'Un viento normal sopla paralelo al suelo, pero una tormenta eléctrica sopla hacia abajo. Es completamente diferente ', dijo el profesor Giovanni Solari de la Universidad de Génova en Italia.

Pon todo esto junto y el resultado, dice el profesor Solari, es que estamos diseñando demasiado nuestros edificios más altos, especialmente rascacielos, y estructuras y edificios de poca altura, como por ejemplo, grúas para astilleros. Los 200 metros superiores de un rascacielos de 300 metros probablemente no recibirán el soplo de una tormenta eléctrica, pero los diseñamos como si lo hicieran porque nuestros modelos asumen que los vientos se hacen más fuertes en las alturas. 'Estamos haciendo que los edificios sean demasiado seguros, ' él dijo. Por otra parte, las pequeñas grullas pueden volcarse debido a las tormentas eléctricas, que producen su viento más fuerte a nivel del suelo.

El objetivo del profesor Solari, a través del proyecto THUNDERR, es corregir esto, lo que podría hacer que la construcción sea más eficiente y menos costosa, mediante la producción de un modelo de viento de tormenta que se puede utilizar para ayudar a diseñar edificios. El primer paso fue tomar una tormenta sintética creada en un túnel de viento de clase mundial en la Universidad de Ontario en Canadá y hacer un modelo de esto. Eso ya está hecho dice el profesor Solari, y sus modelos hacen un buen trabajo al capturar lo que hacen estas tormentas sintéticas. Pero esa fue la parte fácil.

Ahora pasa a modelar tormentas eléctricas reales, en el que hay una gran variación. Ayudar, El profesor Solari y su equipo han construido una red de 45 torres meteorológicas espaciadas alrededor de la costa mediterránea diseñadas para capturar datos sobre los vientos creados por tormentas eléctricas.

'La gente solía pensar que las tormentas eléctricas eran raras, dijo el profesor Solari. Eso fue porque no pudimos verlos. La red ahora ha registrado una base de datos de 250 registros de tormentas eléctricas. El plan ahora es ajustar el modelo inicial para tener en cuenta todas estas diferentes tormentas eléctricas y ser verdaderamente representativo '.

La investigación en este artículo fue financiada por el Consejo Europeo de Investigación de la UE. Si te gustó este artículo, considere compartirlo en las redes sociales.