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

Contenido eliminado Contenido añadido
Sýllabus (discusión | contribs.)
Sýllabus (discusión | contribs.)
Línea 34:
== Thunder, thunder, thuderstorms...!!==
 
[[Imagen:vvst.png|thumb|300px|rigth|Variación diurna del potencial eléctrico en un día con clima normal sobre la superficie del océano ]]Desde el inicio de los tiempos, el ser humano ha presenciado una gran cantidad de espectáculos naturales. Erupciones volcánicas, huracanes, eclipses, paso de cometas, auroras boreales… Algunos buenos, otros trágicos. Dentro del conjunto de dichos shows, he tenido la fortuna de apreciar por unos instantes, una tormenta eléctrica. La experiencia fue única.
Unos instantes antes de que comenzara, el ambiente era más bien apocalíptico: ráfagas silbantes de aire frío en todas direcciones, árboles retorciéndose y ramas luchando por no caer, perros ladrando y gente corriendo a sus casas a resguardarse… oscuridad y un cielo sutilmente rojizo. Decidí subir a la azotea de mi casa y acostarme en el techo. Empezó entonces a llover y a relampaguear. Allí es cuando uno se da cuenta de lo pequeño que es en el mundo: como pólvora encendida, una explosión de líneas luminosas surcó los cielos entre nube y nube, iluminando las entrañas de la tormenta en formas algo arrogantes. Las líneas recorrían e iluminaban al mismo tiempo, después desaparecían. Todo en un pestañeo. Silencio. Luego calma… y desde la parte más alejada en el horizonte, emergió una luz cegadora que en un suspiro vivió y que dejó a su paso un ruido tan intimidante que me hizo bajar inmediatamente del techo.
[[Imagen:globalcircuit.png|thumb|300px|left|Concepto simple del modelo de circuito global. Las tormentas conducen corriente a la electrosfera (altamente conductora) y regresa a tierra en forma de corriente con los iones anteriormente vistos ]]Si meditamos un poco acerca de la naturaleza de un rayo de tormenta eléctrica y su relación con las corrientes atmosféricas más que en el tiempo que a una persona le puede llevar en bajar del techo de su casa, vemos que existe una analogía con las ‘’bombillas de plasma’’ y los generadores de Van de Graff.
Nuestro modelo de la electricidad atmosférica del planeta se asemeja a una esfera sólida con carga negativa dentro de un cascarón conductor con carga positiva y además, había surgido la interrogante de cómo es posible que no se descargue el sistema, siendo que el aire –conductor hasta cierto punto- que se encuentra entre las dos superficies serviría de mediador… la respuesta viene de los rayos de las tormentas arriba presentados.
Visualicemos lo siguiente: un generador de Van der Graff en medio de una mesa y muy juntito a él otra esfera apoyada en un tripié a la misma altura que la esfera del generador. Cuando éste se enciende, adquiere carga en la superficie y después de cierto tiempo, empiezan a salir unos rayos que hacen contacto en la otra esfera. Aunque idealmente, las dos superficies están cargadas y las separa el famoso aire no-conductor, aparecen dichos rayos que transmiten el exceso de carga de la superficie del generador a la superficie de junto que está polarizada.
Con la tierra pasa algo parecido. Los rayos envían cargas negativas desde las alturas hacia tierra donde alimentan el potencial y lo mantienen constante. Es evidente entonces el dinamismo: la alta atmósfera ionizada, las nubes de tormenta polarizada, rayos que bajan carga, tierra que recibe y mantiene. ¿Pero una tormenta puede mantener por sí misma semejante potencial? Se han hecho estimaciones y los resultados arrojan cerca de 40 000 tormentas por día en todo el planeta. Es muy factible que la unión hace la fuerza.
 
'''Propiedades Eléctricas Globales bajo la Ionosfera'''
 
Definamos buen tiempo. Cuando el día es soleado, despejado y agradable en general, significa que el estado eléctrico de la baja y media atmósfera está en un equilibrio cuasi-estático, o sea, que la carga que se mueve en una región es igual a la carga que abandona tal región. La definición del buen tiempo puede ser tan simple como la de que no haya tormentas eléctricas cerca. En equilibrio cuasi-estático, la distribución vertical de la carga podría ser esencialmente la misma en diferentes lapsos de tiempo y las leyes de la electrostática son las que se aplican. En relación a tormentas eléctricas, consideramos un clima óptimo como aquél libre de aire o nubes que acareen electricidad suficiente como para revertir la polaridad del campo eléctrico en el suelo.
'''El mecanismo de Tláloc'''
 
 
Una cosa es saber el comportamiento eléctrico de las tormentas y otro es saber cómo se originan. La palabra clave aquí es ''equilibrio mecánico''.
===Introducción al Mecanismo de Tláloc===
 
Definimos una tormenta como una nube que produce truenos. Ya en el siglo 18, Benjamin Franklin estableció que carga negativa estaba presente en las tormentas, aunque también carga positiva era observada ocasionalmente. C. T. Wilson (1916,1920,1929) famoso e influyente científico realizó mediciones comparando el campo eléctrico de tormentas y el campo eléctrico cambiante de los relámpagos. Basado en sus observaciones, conjeturó que en las nubes de tormentas existen cargas positivas en la parte superior y cargas negativas en la inferior, en una configuración llamada dipolo positivo.
Si tenemos dos cargas separadas cierta distancia <math>D</math>y queremos saber qué campo habrá a los 20 kilómetros, existe una expresión para dicho campo dada por:
 
<center>
<math>E_{z}= \frac{1}{4 \pi \epsilon_{0}} \frac{2 Q z_{N}}{(D^{2}+z_{N}^{2})^1.5} - \frac{2 Q z_{P}} {(D^{2}+z_{P}^{2})^1.5}</math>
</center>
 
donde <math>z_{N}</math> y <math>z_{P}</math> son las alturas de las cargas negativa y positiva respectivamente, y <math>Q</math> es la magnitud de la carga en cada polo del dipolo.
 
[[Imagen:dipol.png|thumb|300px|center|Relación del campo eléctrico en la superficie como función de la distancia de eje de una distribución de dipolo positivo. Las cargas están en la izquierda. La magnitud de la carga en este ejemplo es de 40C perodicha magnitud no afecta de ''distancia de cambio'']]
 
La distancia en la cual el campo eléctrico pasa por cero invirtiendo su polaridad es llamada la distancia de cambio. Dicho cambio de polaridad ocurre porque la magnitud relativa de la componente vertical del campo eléctrico disminuye con más lentitud con la distancia para las cargas positivas en las alturas de la nube, que para las cargas negativas abajo.
Ahora bien, el modelo que mejor describe el comportamiento eléctrico de las nubes de tormenta es el del dipolo positivo, sólo que con una ligera variante: observaciones meteorológicas hechas allá por la década de los 40 encontraron que para evitar anomalías, la carga eléctrica negativa de dipolo en la nube debe estar entre dos cargas positivas una superior y otra muy ligera en la aparte inferior, como sugiere la figura (FIGURA 3.2). Este peculiar arreglo de cargas se denomina estructura dipolo/tripolo ya que es una mezcla entre ambas.
Los siguientes son características típicas de la estructura general de la carga en nubes de tormenta:
 
1. Cargas negativas dominan en las regiones bajas de la nube, entre un rango de temperatura que va de los -25°C a los -10°C.
2. La región positiva está probablemente un 1km arriba de la anterior. Datos sugieren que también exista alrededor de la misma.
3. Observaciones de la variación del campo eléctrico con la altura indican que existen más de tres aglomeraciones de carga en la nube de tormenta.
4. La mayoría de las cargas de los iones ligeros bajo la tormenta son producidos por puntos de descarga, la corriente inducida en el suelo por objetos puntuales, como árboles y edificios, bajo la influencia del campo eléctrico de las tormentas.
5. Las gotas de la precipitación acarrean en mayor parte cargas positivas bajo la nube, esta carga cuando se acerca al suelo es afectada por los iones producidos en los puntos de descarga o por la influencia del ambiente.
 
Podemos concluir que cuando se acerca una tormenta eléctrica de grandes proporciones, el aire se enrarece, debido a que una nube es una fuente de campo eléctrico –del orden de los 10 nC sobre metro cúbico- pero capaz de producir majestuosos espectáculos.
 
Corona eléctrica se refiere a cualquier descarga eléctrica menos violenta y energética que una chispa o relámpago. Ocurre que la corona en la atmósfera se divide en dos: corona para la vegetación y el suelo, y la corona de descarga para las nubes de tormenta. Si todos los demás parámetros se mantienen constantes, la transición a una forma más energética de corona es causada por el incremento en el campo eléctrico.
La naturaleza de la corona de descarga en las nubes es básicamente la misma que ocurre sobre puntos metálicos. La corona es iniciada cerca de puntos cuando el campo eléctrico local es suficientemente fuerte como para acelerar electrones libres a energías tales que ionizan a moléculas después de colisionarlas. (FIGURA 4.1 Y 4.2)