Introducción a las Ciencias Atmosféricas
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CCA-UNAM


VII.   Tormentas electricas

Objetivos:

Introducción:

Según las estadísticas de las víctimas de rayos en diferentes países, realizadas por la Organización Mundial de Salud, México ocupa el primer lugar en la mortalidad por rayos, con el promedio de 223 muertes por año. Sin embargo, las descargas eléctricas en el territorio mexicano son fenómenos muy poco estudiados.

Los procesos relacionados con la electrificación de las nubes esconden muchos secretos. Cada año se descubren nuevos fenómenos. Sabemos que la interacción entre las partículas con tamaños de micrómetros y milímetros, compuestos principalmente de agua, produce relámpagos con temperaturas más altas que en la superficie del sol, rayos gamma, rayos X, antimateria, y extraños fenómenos luminosos en la atmósfera alta que ocupan cientos de kilómetros y han sido bautizados con los nombres de cuentos de hadas: elfos, duendes y chorros azules. Sin embargo existe un misterio en el mismo corazón de las nubes de tormenta. No estamos seguros acerca del proceso que separa las cargas y en efecto produce tantos fenómenos energéticos que se extienden desde la superficie de la Tierra hasta el espacio exterior.

Durante las últimas décadas han aparecido varias hipótesis sobre la separación de las cargas dentro de las nubes de tormenta. Muchas han sido refutadas, algunas adquieren cada vez más peso científico y cada año surgen nuevas preguntas. Este capítulo presenta la hipótesis más aceptada por la comunidad científica. También se describe el proceso de formación de “leaders” y descargas eléctricas de nube a tierra y se presenten mapas de rayos para la República Mexicana.

7.1. Tipos de descargas eléctricas

Alrededor de 80% de todos los rayos son descargas que ocurren entre nubes o dentro de una nube. 20% de las descargas son las descargas nube-tierra

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Figura 1. Tipos de descargas: intranube, nube-nube, nube-tierra

7.2. Separación de cargas

Para que ocurra una descarga, es necesario que se separen las cargas positivas y negativas dentro de la nube. En general las cargas positivas se acumulan en la parte superior de la nube y las negativas en la parte inferior. Pequeñas zonas de carga positiva pueden formarse también cerca de la base de la nube. Debajo de la nube, sobre la superficie de la tierra, se acumula carga positiva por inducción.

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Figura 2. Distribución de cargas

Para explicar los fenómenos eléctricos observados en las nubes de tormenta, las hipótesis deben cumplir con los siguientes requisitos:

1. Generación de campo eléctrico en aprox. 30 minutos.
2. La carga generada es 20-30 Coulombs por rayo.
3. La separación de carga ocurre en el área que se encuentra entre 0°C y -40°C y tiene radio aprox. 2 km.
4. El centro de la carga principal negativa se encuentra entre los niveles -5°C y -25°C. La carga principal positiva está unos kilómetros encima de la negativa. La carga positiva baja (más pequeña) está cerca del nivel de 0°C.
5.  El desarrollo de campo eléctrico coincide con el desarrollo de la precipitación en forma de granizo.
6. El primer rayo ocurre dentro de 12-20 min desde la aparición de primeras grandes partículas detectadas por radar en la nube.
7. El mecanismo de separación de carga debe generar 5-30 C/km3 para mantener la tasa de generación de carga del orden 1 C/km3/min.
Según la hipótesis más aceptada, las cargas se separan durante los choques de partículas de granizo con cristales de hielo, en presencia de gotas sobreenfriadas. El granizo se carga negativamente y debido a su peso se acumula en la parte inferior de la nube. Los cristales de hielo son llevados por corrientes ascendentes hacia la parte superior. De esta manera se forman los centros principales de cargas negativas y positivas.
Sin embargo, en las temperaturas mayores a -15°C el granizo puede cargarse positivamente y los cristales de hielo negativamente. Se cree que debido a este proceso, se forma una pequeña zona de carga positiva cerca de la base de la nube.

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Figura 3. Mecanismo de separación de carga para T < -15°C (arriba) y T > -15°C (abajo).

 

7.3. Formación de “leaders” y descargas eléctricas

Antes de que ocurra la descarga eléctrica, se forma un canal de aire ionizado (con carga negativa), llamado guía escalonada (stepped leader). De esta manera el aire se transforma localmente en un conductor. La guía escalonada tiene unos centímetros de ancho; el proceso de su formación es invisible para ojos humanos. Cuando la guía escalonada está cerca de la tierra, una chispa surge desde la tierra hacia la guía. Cuando la guía y la chispa se conectan, crean un camino por el cual fluyen las cargas. De esta manera inicia una secuencia de descargas eléctricas que el ojo humano registra como rayo. Durante una descarga eléctrica, la temperatura dentro de la guía escalonada es más alta que en la superficie del Sol. El aumento de temperatura causa una rápida expansión del aire, lo que resulta en el sonido de trueno.

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Figura 4. Formación de un “leader”


7.4. Fenómenos en la atmósfera alta

Los fenómenos luminosos que ocurren encima de las tormentas eléctricas se llaman eventos luminosos transitorios. En la década del 20's del siglo XX, el físico escocés C. T. R. Wilson dedujo la existencia de estos fenómenos. Algunos pilotos de vuelos altos observaron los eventos luminosos transitorios, pero no podían probarlo. La primera evidencia directa de estos fenómenos fue grabada por azar en 1989 por científicos de la Universidad de Minnesota.

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Figura 5. Efectos de descargas eléctricas en la atmósfera alta: sprites, elves y blue jets.


7.5. Campo eléctrico terrestre

En la Tierra, durante cada segundo ocurren alrededor de 100 rayos. Las cargas transmitidas a la superficie causan una constante diferencia de voltaje de aprox. 400,000 V (en promedio) entre la superficie de la tierra y la ionósfera. Es el campo eléctrico terrestre promedio, mantenido por el flujo de electrones durante las descargas de nube a tierra.

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Figura 6. Descargas eléctricas per año per km2.

7.6. Formación y desarrollo de tormentas eléctricas individuales

Las tormentas individuales generalmente duran menos de una hora. El aire inestable que se levanta y enfría de manera adiabática forma las nubes cumulus. En su etapa madura, las nubes convectivas generan precipitación que jala el aire hacia abajo (downdrafts). Cuando la precipitación se vuelve intensa, los movimientos descendentes invaden una gran parte de la base de la nube. Disminuyen los movimientos ascendentes e inicia la etapa disipativa de la tormenta.

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Figura 7. Ciclo de vida de una tormenta eléctrica individual


7.7. Formación y desarrollo de tormentas eléctricas severas

Las tormentas eléctricas severas se componen de varias celdas de tormenta. Tienen velocidades de vientos mayores a 93 km/hr. Las partículas de granizo generadas por estas tormentas exceden 2 cm de diámetro.

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Figura 8. Tormenta eléctrica severa


Los sistemas convectivos de mesoescala son conjuntos de tormentas agrupadas y organizadas en estructuras de dimensiones espacio-temporales más grandes que las de tormentas individuales. Contienen varias tormentas severas, pueden durar más de 24 horas y ocupar cientos de kilómetros. Sus celdas individuales tienen movimientos descendientes que llevan a la formación de nuevas y poderosas celdas de tormenta.

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Figura 9. Sistema convectivo de mesoescala


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Figura 10. El movimiento de las celdas de tormenta de un sistema convectivo de mesoescala. La celda A es la más antigua, G es la más reciente. Las celdas individuales  se mueven hacia el noreste, mientras todo el sistema se propaga hacia el este.

Squall line (línea de tormenta) consiste en un gran número de celdas individuales organizadas en una banda linear de aprox. 500 km. Las líneas de tormenta a menudo son paralelas a los frentes fríos y se forman de 300 km a 500 km de distancia delante de estos frentes.

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Figura 11. Squall line


7.8. Descargas eléctricas de nube a tierra en la República Mexicana

La electrificación de las nubes ocurre por medio de los mismos procesos que llevan al desarrollo de las partículas de precipitación (nieve, granizo, gotas de lluvia). Por esta razón los eventos de precipitaciones más intensas son a menudo acompañados por fuertes descargas eléctricas. En algunos países se utiliza rayos para realizar pronósticos de muy corto plazo, predecir posibles inundaciones y emitir alertas para la sociedad.

En México continental, los rayos tienen una distribución espacial parecida a la de precipitación (compara figuras 12 y 13). Los máximos ocurren sobre las regiones costeras de Pacífico, debido principalmente al forzamiento orográfico de Sierra Madre Occidental. También las regiones costales del Golfo de México, especialmente los estados de Tabasco y Veracruz exhiben altas densidades de rayos.

Sin embargo, sobre océanos la distribución espacial de rayos no coincide con la de precipitación. La zonas de Pacífico con máximas cantidades de lluvia exhiben muy poca actividad eléctrica. Se sabe que globalmente la densidad de rayos sobre océanos es aproximadamente diez veces menor que sobre la tierra. Sin embargo este no es el caso para las zonas marítimas de Pacífico y Golfo de México cercanas a las costas. Este fenómeno es actualmente el tema de investigación (i.e. Kucienska et al., 2012).

En cuanto a la distribución mensual, la máxima cantidad de rayos sobre el continente ocurre en Julio, Agosto y Septiembre. La distribución sobre Pacífico Tropical es parecida a la del continente, aunque también se registra una alta cantidad de rayos en Mayo. Sobre el Pacífico Subtropical sólo hay actividad eléctrica desde Julio a Octubre. Sobre el Golfo de México, la distribución mensual es bastante uniforme a lo largo del año y el Mar de Caribe exhibe el máximo de rayos en otoño (Septiembre y Octubre).

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Figura 12. Distribución de descargas para todos los meses del año, registrados por la World Wide Lightning Location Network [descargas/km2]. Fuente: Kucienska et al, Ann. Geophys, 2010.

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Figura 13 Distribución de precipitación para todos los meses del año [mm/día] registrada por el satélite TRMM. Fuente: Kucienska et al., Atmos. Chem. Phys., 2012.

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Figura 14. Distribución mensual de descargas para a) México continental, b) Mar Caribe, c) Golfo de México, d) Pacífico Subtropical, e) Pacífico Tropical. Fuente: Kucienska et al, Ann. Geophys., 2010.

Según las estadísticas de las víctimas de rayos en diferentes países, realizadas por la Organización Mundial de Salud, México ocupa el primer lugar en la mortalidad por rayos, con el promedio de 223 muertes por año. Un estudio reciente (Raga y De la Parra, 2012) mostró que en el período del 1979 al 2008, más de 7000 personas en México perdieron la vida al ser alcanzadas por rayos. La figura 15 demuestra que la gente muere por rayos en todos los estados de la República Mexicana. El mayor número de muertes fue registrado en el Estado de México y los estados de Michoacán, Oaxaca y Guanajuato.

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Figura 15. Distribución de muertes por rayo en los estados de la República Mexicana durante los años 1979-2008. Gráfica elaborada por Raga y De La Parra (2012) con los datos del Sistema Nacional de Información en Salud (SINAIS) del año 2009.

La figura 16 demuestra que la mayoría de los fulminados en México son niños y jóvenes entre 10 y 19 años. Curiosamente, el porcentaje de niños muertos por rayos es cinco veces mayor que el de las niñas. En las regiones rurales los niños mayores de 10 años empiezan a incorporarse a las actividades agrícolas, lo que los hace más vulnerables a muerte por rayos. En las ciudades, los espacios recreativos a cielo abierto como parques y campos deportivos son muy frecuentados por niños y jóvenes. Estos espacios abiertos son muy peligrosos durante las tormentas eléctricas.
Una descarga directa de un rayo al cuerpo humano conduce a un paro cardíaco y respiratorio que causa la muerte. Los rayos también producen quemaduras en la piel y lesiones en los oídos, ojos, pulmones y huesos. Si la víctima recibe de inmediato asistencia médica, puede sobrevivir a la descarga. En los Estados Unidos sólo 10% de las personas alcanzadas por rayos pierden la vida. En México se desconoce el porcentaje de fulminados que logran sobrevivir, pero sin duda muchas muertes podrían evitarse si las personas afectadas recibieran una rápida ayuda médica. A los fulminados por rayos se les debe administrar de inmediato la respiración artificial. No hay ningún peligro en tocar la víctima de rayo.

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Figura 16. Distribución de muertes por rayos en la República Mexicana en función de edad y sexo  (mujeres: rojo, hombres: azul). Fuente: Raga y de la Parra, 2012.

7.9. Medidas de protección contra rayos

1. Buscar refugio dentro de un edificio o un coche con ventanas cerradas

2. Antes todo evitar:

6. Dentro de la casa:


CUANDO UN TRUENO TE AMENAZA

¡DE INMEDIATO CORRE A CASA!


7.10. Ligas

El sitio con materiales adicionales al libro "Understanding Weather and Climate" de Edward Aguado y James E. Burt: http://wps.prenhall.com/esm_aguado_uwac_3/

Una sencilla explicación acerca de la formación de rayos en el portal “How Stuff Works”: http://science.howstuffworks.com/nature/natural-disasters/lightning.htm

Atlas climático digital con mapas de rayos de alta resolución: http://atlasclimatico.unam.mx/atlas/DescargasElectricas/

7.11.    CUESTIONARIO



7.12. Referencias

Understanding Weather and Climate. Edward Aguado, James E. Burt. Prentice Hall; 5 edition (February 23, 2009)

Atmospheric Science: An Introductory Survey. John M. Wallace, Peter V. Hobbs. Academic Press; 2 edition (February 15, 2006)

Storms. William Cotton. Geophysical Science Series Vol. 1. Aster Press; 1st edition (June 1990)

Kucieńska B., Raga G.B, and Rodríguez O. Cloud-to-ground lightning over Mexico and adjacent oceanic regions: a preliminary climatology using the WWLLN dataset. Ann. Geophys. , 28, 2047-2057, doi:10.5194/angeo-28-2047-2010, 2010.

Kucienska, B., Raga, G. B., and Romero-Centeno, R.: High lightning activity in maritime clouds near Mexico, Atmos. Chem. Phys., 12, 8055-8072, doi:10.5194/acp-12-8055-2012, 2012

Raga, G. B. y De La Parra, M., 2012: Población y descargas eléctricas en México. Muertes por rayos y su relación con el fenómeno físico. Enviada a Estudios Demograficos y Urbanos.