Diferencia entre revisiones de «Física/Lo que aprendí leyendo a Feynman - Electromagnetismo/La electricidad en la atmósfera»

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Ahora bien, ¿cuál sería el origen de esos iones? ¿simples choques moleculares? En un principio se pensó que las partículas <math>\beta</math> (electrones a altas energías) producidas por la radiactividad de la tierra sacaban a los electrones de las moléculas y producían iones. Lógico pensar es que a grandes alturas, la ionización disminuiría. Pero, ¡oh sorpresa! cuando unos físicos llevaron acabo un experimento para medir dicha ionización usando globos (Hess, en 1912) encontraron que la ionización aumentaba con la altura. Éste hecho fue el logro más impactante de la física atmosférica –en aquel tiempo- y originó una rama completamente nueva: la física de los rayos cósmicos.
Aquí Feynman da el avionazo en su explicación argumentando poco acerca de los rayos cósmicos. Lo trascendente es que partículas nuevas a las conocidas en aquel entonces (muones, neutrinos, etc.) provenientes de remotos lugares en el espacio exterior, llegaban a la atmósfera a velocidades cercanas a la de la luz, chocando con las moléculas y disparando una cascada de partículas atómicas y subatómicas que producían iones en altas alturas (por algo se llama ionosfera).
La ''ionosfera'' es la región en la alta atmósfera donde existe tal cantidad de electrones y partículas cargadas –iones- que deambulan libres por el espacio que logran hacer a la propia atmósfera un conductor razonablemente bueno.
La mayoría de las partículas cargadas con creadas cuando la radiación solar en una longitud de onda menor a los 102.7 nanómetros que corresponde a la radiación ultravioleta, es absorbida por las moléculas y átomos atmosféricos. Tal energía absorbida es trasferida a un electrón en una molécula, el cual escapa –convirtiéndose en un electrón libre- y formando un ión. Éste proceso es llamado '''fotoionización'''.
Esencialmente, toda la radiación solar en el espectro del alto-ultravioleta es absorbido en la ionosfera –debería de serlo, pero debido a los gases contaminantes, la disminución del ozono ha adelgazado dicha capa en los últimos años.
Debajo de la ionosfera, la atmósfera es débilmente conductora.
 
[[Imagen:densielec.png|thumb|300px|left|Distribución típica de la densidad de electrones entre la salida y puesta del sol durante a) el día y b) la noche]]En cualquier caso, la conductividad de la ionosfera es debida primariamente a los electrones libres, ya que son más ligeros que los iones. Por convención, la ionización de la atmósfera es descrita en términos de la densidad de electrones <math>N_{e}</math>.
Pero dada la peculiar ligereza del electrón, ¿cuántos factores no pueden influir en la variación de su concentración en el ambiente? Efectivamente, la densidad de electrones varía según la hora del día, altitud, longitud, convergencia o divergencia de los altos vientos, de la propia radiación solar –que nos envía hasta el comportamiento mismo del sol- y de efectos locales, entre otros. Como quiera que sea, estudios sugieren un comportamiento promedio descrito por la figura que indica un pico fuertemente marcado a los 300 km de altitud aproximadamente. No es ninguna sorpresa, ya que corresponde al rango de altitud de la propia ionosfera.
La forma de dichos gráficos obedece lo que anteriormente se había propuesto: que la producción de iones en un volumen dado es proporcional al flujo de radiación –en la frecuencia apropiada- y al número de moléculas en el volumen que pueden absorber y ser ionizadas por la radiación.
Cuando la radiación penetra profundamente en la atmósfera, dada su energía, alguna de ella es absorbida por las moléculas atmosféricas y átomos, así que en su camino, el flujo disminuye y está menos disponible a ionizar un cierto volumen. [[Imagen:densielec2.png|thumb|300px|left|Gráficos del flujo de radiación y de la densidad de electrones]]Pero – un pero con mucho énfasis-, la densidad de moléculas incrementa con la profundidad, así que el porcentaje de flujo restante que podrá ser absorbido en un volumen equis, aumenta. Como resultado de esas tendencias opuestas, tenemos un gráfico que muestra que arriba de cierta altitud, la radiación es alta pero la densidad es poca, mientras que debajo de dicha altitud, la radiación es poca y la densidad mucha; en resumen, volvemos a tener un pico muy marcado en las concentraciones eléctricas de la atmósfera. (Chapman 1931).
 
Pero la historia no acaba ahí. Es preciso sugerir que además de esos pequeños iones producidos por los rayos cósmicos existe otra clase de iones más pesados y relativamente más grandes –como partículas de polvo- que no están a grandes alturas, pero que influyen en la variación de la conductividad del propio aire.
Un ejemplo de dichas partículas “pesadas” son los granos de sal. En el mar no sólo la vida es más sabrosa sino que cuando una ola de mar rompe, muchísimas gotas son proyectadas hacia el aire. Cuando éstas se evaporan dejan a su paso un pequeñísimo grano de sal común (NaCl) flotando en el aire. Tales cristales son los encargados de acaparar carga y convertirse en iones pesados.
Dada la relativa inmensidad de la superficie terrestre comparada con un ion pesado y un ion pequeño, la intensidad de la corriente eléctrica atmosférica está relacionada con la densidad. Así pues, conforme vamos incrementando en altitud, los iones pesados son cada vez menos abundantes debido al factor peso, al factor humano –contaminación- o a que las gotitas de las olas de mar no llegan tan alto, mientras que las partículas ionizadas ligeras, que se originan en su gran mayoría por las colisiones con los rayos cósmicos en la atmósfera superior, tienen mayor espacio para avanzar antes de decaer/colisionar en otras partículas. En resumen, iones pesados implica menos velocidad, lo que a su vez se traduce en una corriente muy débil; por otro lado, iones ligeros, por minúscula que sea la carga que transporten, si van a altas velocidades (cercanas a las de la luz) pueden generar una corriente notable. La intensidad de corriente atmosférica aumenta con la altura tal como se había visto experimentalmente
 
[[Imagen:potentist.png|thumb|300px|center|Gráfico del potencial versus altitud]]Hasta ahora, nos hemos dado cuenta que el aire no es un aislante perfecto, que existe una corriente eléctrica en la atmósfera debido a la ionización por partículas cargadas y que el voltaje aumenta en promedio 100 volts por metro, entre otras cosas. O sea, que podemos imaginar el asunto viendo a la tierra como una gran esfera sólida con carga negativa y a la atmósfera como un cascarón que la cubre con caga positiva. ¿Por qué no simplemente se descargan? ¿qué mantiene a las cargas en su lugar? Para terminar, recordemos que a 50 km aproximadamente, la atmósfera tiene las condiciones de comportarse como una superficie conductora, estamos hablando de unos 400 000 volts…
 
== Thunder, thunder, thuderstorms...!!==