Cómo se forma un rayo: la carga en la nube, el líder y el destello
Un rayo se forma cuando las colisiones entre cristales de hielo y granizo blando dentro de una nube de tormenta separan la carga eléctrica: la positiva se acumula cerca de la cima de la nube y la negativa en su zona media. Cuando la diferencia es demasiado grande, el aire, normalmente un aislante, se rompe y una chispa gigante de electricidad descarga la nube. El canal calienta el aire hasta unos 28 000 °C (50 000 °F) y el aire estalla hacia fuera: eso es el trueno.
El rayo es uno de los fenómenos naturales que la gente observa desde hace más tiempo, pero los científicos aún debaten algunos detalles de cómo una nube acumula su carga. Esta guía sigue paso a paso la explicación mejor respaldada: cómo la nube se convierte en una batería, qué pasa en las pocas milésimas de segundo que dura un destello, por qué tras el destello llega el trueno, cómo estimar la distancia contando segundos y qué recomiendan los servicios meteorológicos cuando oyes un trueno.
Ideas principales
- Las colisiones entre granizo blando (graupel) y cristales de hielo en una nube de tormenta alta separan la carga; los detalles se siguen debatiendo, pero la nube acaba con carga positiva arriba y negativa en la zona media.
- Un líder escalonado baja desde la nube en pasos cortos, una chispa sube a su encuentro y la descarga de retorno que recorre el canal hacia arriba produce el destello brillante.
- El canal calienta el aire hasta unos 28 000 °C (50 000 °F), cinco veces más que la superficie del Sol; el aire se expande con violencia y oímos el trueno.
- Cuenta los segundos entre el destello y el trueno: divídelos entre 3 para obtener kilómetros o entre 5 para obtener millas.
- Si oyes un trueno, estás lo bastante cerca para que te caiga un rayo: el Servicio Meteorológico Nacional de EE. UU. (NWS) indica entrar en un edificio sólido o en un vehículo cerrado con techo metálico y quedarte allí al menos 30 minutos después del último trueno.
¿Cómo se carga eléctricamente una nube de tormenta?
Una tormenta empieza cuando el Sol calienta el suelo y bolsas de aire cálido ascienden. Los cúmulos de gran desarrollo crecen hacia arriba hasta que la cima se aplana en forma de yunque. Dentro, una nube bien desarrollada contiene pequeños cristales de hielo en los niveles altos, una mezcla de cristales y granizo menudo en la zona media, y lluvia y granizo que se derrite abajo. Las fuertes corrientes ascendentes mantienen esas partículas en movimiento y chocando entre sí.
Los científicos creen que el primer paso depende de un granizo blando y pequeño llamado graupel, de una fracción de milímetro a unos pocos milímetros de ancho, que crece al recoger gotas de agua sobreenfriada. Cuando el graupel choca con partículas de hielo más pequeñas y rebota, el graupel adquiere carga de un signo y la partícula de hielo del otro. La corriente ascendente arrastra hacia arriba más deprisa las partículas más pequeñas, y así las dos clases de carga quedan separadas.
El resultado, tal como lo describe el NWS, es una nube con la cima cargada positivamente y la zona media e inferior negativamente, más una pequeña bolsa positiva cerca de la base. La carga negativa del centro hace que el suelo de abajo sea positivo por contraste. El Laboratorio Nacional de Tormentas Severas de la NOAA (NSSL) añade una nota honesta: sabemos qué condiciones se necesitan para producir rayos, pero aún se debate exactamente cómo acumula sus cargas una nube.
Qué ocurre en un destello: el líder y la descarga de retorno
El aire es un aislante, así que mantiene separadas las cargas opuestas durante un tiempo. Cuando la diferencia se vuelve demasiado grande, el aislamiento se rompe y se produce una descarga eléctrica rápida: el rayo. La mayoría de los destellos empiezan dentro de la nube y casi todos se quedan allí: según el NSSL, hay entre 5 y 10 veces más destellos dentro de las nubes que los que llegan al suelo.
Un destello que va a caer a tierra envía hacia abajo un canal llamado líder escalonado, porque avanza en pasos cortos a medida que el aire por delante se ioniza. Cuando el líder llega a unas cien yardas (unos 90 metros) del suelo, objetos como árboles, edificios y arbustos lanzan chispas a su encuentro. En cuanto una se conecta, una enorme corriente recorre todo el canal. Ese pulso, la descarga de retorno, es el que produce el destello brillante que vemos; todo sucede en unas milésimas de segundo, demasiado rápido para que el ojo siga cómo se forma.
Los objetos altos tienen más probabilidades de lanzar la chispa de conexión, por eso los árboles, los rascacielos y las montañas reciben rayos a menudo, pero un rayo también puede caer en terreno abierto aunque haya árboles cerca. El NSSL da para un destello típico un voltaje de 100 millones a 1000 millones de voltios, con miles de millones de vatios de potencia.
¿Por qué el rayo produce trueno y a qué distancia está?
El trueno es el sonido del destello. El canal del rayo calienta el aire que lo rodea hasta unos 28 000 °C (unos 50 000 grados Fahrenheit), aproximadamente cinco veces más que la superficie del Sol, en unas pocas millonésimas de segundo. El aire no tiene tiempo de expandirse, así que queda a una presión altísima y estalla hacia fuera como una onda de choque, que se va apagando hasta convertirse en el sonido que oímos. Justo después del destello el aire se enfría y vuelve a contraerse.
El trueno retumba porque el destello es largo. Primero oyes el trueno de la parte más cercana del canal, luego de partes cada vez más lejanas, y los sonidos agudos se debilitan en el aire más rápido que los graves. Un chasquido seco indica que el canal pasó cerca; un estruendo grave, que estuvo a varias millas. Según el NWS, el trueno suele oírse a unas 10 millas (16 km) del lugar del impacto.
La luz te llega casi al instante, pero el sonido recorre aproximadamente un tercio de kilómetro (una quinta parte de milla) por segundo. Cuenta los segundos entre el destello y el trueno y divide entre 3 para obtener la distancia en kilómetros, o entre 5 para obtener millas: 9 segundos son unos 3 km, 15 segundos son unas 3 millas. Haz la cuenta desde un lugar seguro.
¿Con qué frecuencia caen rayos y qué hacer al oír un trueno?
En algún lugar de la Tierra siempre hay rayos. Midiendo desde satélites, los científicos de la NASA con el Optical Transient Detector hallaron unos 1400 millones de destellos al año, una media de 44 ± 5 por segundo, con una proporción de unos 10 a 1 entre tierra y océano. Una estimación anterior de 100 destellos por segundo, hecha en 1925, resultó demasiado alta. En Estados Unidos caen unos 25 millones de rayos al suelo al año, que matan a unas 20 personas anuales, según el NWS.
La regla del NWS es «When thunder roars, go indoors» («cuando ruge el trueno, métete en un lugar cubierto»). Si oyes un trueno, el rayo está lo bastante cerca para alcanzarte. Ve a un edificio sólido con electricidad o fontanería, o a un vehículo cerrado con techo metálico y las ventanillas subidas, y quédate allí al menos 30 minutos después del último trueno. Dentro, no uses teléfonos con cable ni aparatos conectados directamente a la red eléctrica y aléjate de la fontanería, como lavabos y bañeras.
Un rayo puede caer a muchos kilómetros de la tormenta, incluso desde un cielo azul en su borde. Para quienes se ven sorprendidos al aire libre sin refugio, el NWS enumera medidas de último recurso: bajar de colinas y cresterías, no tumbarse nunca en el suelo, no resguardarse nunca bajo un árbol aislado y alejarse del agua. Es mucho más seguro marcharse a tiempo que confiar en ellas.
Cómo muestra una tormenta el VJOURNAL SMART BOOK
El capítulo «En una tormenta» del SMART BOOK gratuito «Todo sobre todo» de VITON13 SCHOOL recorre la misma historia en cinco momentos breves. Junto al texto hay una imagen 3D viva de una nube de tormenta que puedes girar con el dedo o el ratón, y debajo un cuadro de pruebas: indica los segundos entre el destello y el trueno y la temperatura del aire, y la página te da la distancia y la velocidad del sonido (unos 343 m/s a 20 °C).
El capítulo termina con tres datos y un cuestionario de tres preguntas, entre ellas la regla de «dividir entre tres» de esta guía, y cada cifra procede de las fuentes que se enumeran más abajo. Es una forma de probar tú mismo el truco de contar antes de la próxima tormenta.
En palabras sencillas
Frota un globo contra tu pelo y, al tocar algo, suelta una chispita. Una nube de tormenta hace lo mismo a lo grande: el hielo y el granizo se frotan dentro de la nube hasta que se llena de electricidad, y cuando el aire ya no puede contenerla, la electricidad salta en una chispa enorme. El aire que esa chispa calienta hace ¡bang!, y ese bang es el trueno.
Pruébalo
Abre el capítulo «En una tormenta» del SMART BOOK «Todo sobre todo», pon 9 segundos entre el destello y el trueno y luego cambia la temperatura del aire entre 0 °C y 30 °C.
Resultado esperado
Una distancia de unos 3 km y una velocidad del sonido de unos 331 m/s a 0 °C y de unos 349 m/s a 30 °C, de modo que el trueno llega un poco antes en aire caliente.
Comprueba tu respuesta: Ves un destello y oyes el trueno 15 segundos después. ¿A qué distancia está más o menos el rayo y qué debes hacer?
A unos 5 km (15 ÷ 3) o 3 millas (15 ÷ 5). Está lo bastante cerca para ser peligroso, así que entra en un edificio sólido o en un coche cerrado y espera al menos 30 minutos después del último trueno.
Preguntas y respuestas
¿Qué causa un rayo, en una frase?
Las colisiones entre granizo y hielo en una nube de tormenta separan la carga eléctrica hasta que el aire entre las cargas opuestas ya no aísla y una chispa gigante las descarga.
¿Es el rayo más caliente que el Sol?
El aire en el canal de un rayo puede llegar a unos 28 000 °C (unos 50 000 °F), aproximadamente cinco veces más que la superficie del Sol, pero solo durante unas pocas millonésimas de segundo.
¿Cómo se sabe a qué distancia cae un rayo?
Cuenta los segundos entre el destello y el trueno y divide entre 3 para obtener kilómetros o entre 5 para obtener millas. El sonido recorre aproximadamente un tercio de kilómetro por segundo.
¿Cuántos rayos caen en la Tierra?
Unos 1400 millones de destellos al año, una media de 44 por segundo, contando los que ocurren dentro de las nubes y los que llegan al suelo, según los midió desde el espacio el Optical Transient Detector de la NASA. La mayoría se produce sobre tierra firme.
¿Es seguro salir en cuanto cesa el trueno?
No de inmediato. El NWS indica permanecer en un refugio seguro al menos 30 minutos después del último trueno, porque un rayo aún puede caer desde una tormenta que se aleja.
El rayo es una chispa gigante que descarga una nube de tormenta después de que el hielo y el granizo hayan separado su carga; el destello calienta el aire hasta unos 28 000 °C (50 000 °F) y el estallido es el trueno. Cuenta los segundos para saber la distancia y entra en un lugar seguro cuando lo oigas. Para probar tú mismo la regla de contar, abre el capítulo gratuito «En una tormenta» del VJOURNAL SMART BOOK.
Fuentes y lecturas
- NOAA National Severe Storms Laboratory: Severe Weather 101, Lightning basics ↗Fuentes revisadas:
- National Weather Service: Understanding Lightning, Thunder ↗Fuentes revisadas:
- National Weather Service: Overview of lightning science and safety ↗Fuentes revisadas:
- National Weather Service: Lightning safety tips ↗Fuentes revisadas:
- Christian et al.: Global frequency and distribution of lightning as observed from space by the Optical Transient Detector (J. Geophys. Res., 2003) ↗Fuentes revisadas: