De relámpagos y truenos: luz y sonido en el cielo (parte 1)

(Imagen tomada de  este enlace)

Debo confesar que esta semana estaba un poco preocupada por no saber sobre qué iba a escribir en el blog. Como en la mayoría de las ocasiones, la respuesta surgió de algún detalle cotidiano. En Costa Rica es época lluviosa. Esto significa que llueve casi todas las tardes, y en muchas ocasiones hay tormenta con relámpagos y truenos. Así en una de esas tardes lluviosas, interrumpida algunas veces por la falta de electricidad, se me ocurrió investigar de donde vienen los relámpagos y los truenos.

Primero que todo, hagamos la distinción entre las dos palabras:  relámpago, que se refiere al destello luminoso y trueno, entendido como el estruendo que oímos.

Hablemos primero del relámpago. Creo que no estoy exagerando al decir que todos hemos oído hablar de alguna forma u otra que los relámpagos son fenómenos eléctricos: ya sea porque hemos oído términos como "tormenta eléctrica" o porque en nuestra mente tenemos la imagen de un señor recibiendo un rayo por medio de una cometa, solo para mencionar dos ejemplos. Efectivamente, los relámpagos se deben a la acumulación de cargas eléctricas. Hablamos en este caso de electricidad estática, que es la acumulación de cargas sobre la superficie de un material sin que haya una corriente o movimiento de estas últimas.
La carga eléctrica es una  propiedad fundamental de la materia. Existen dos tipos de carga: positiva y negativa. Cargas opuestas se atraen y cargas iguales se repelen. La carga eléctrica tiene su origen en la estructura microscópica de la materia. La materia se compone de átomos, y estos a su vez se componen de un núcleo, con protones y neutrones, y electrones que orbitan alrededor del núcleo. Los protones poseen carga positiva, y los electrones carga negativa. Si la cantidad de protones es igual a la cantidad de electrones, el átomo es eléctricamente neutro. Pero puede suceder que el átomo pierda o gane electrones. En estos casos, el átomo tendría una carga positiva o negativa eléctricamente. 

Volviendo a los relámpagos, el primero en demostrar que los relámpagos se producían debido a cargas eléctricas acumuladas en las nubes, fue Benjamín Franklin en 1752. Él uso un cometa, hecho de madera y seda,  para acercar el extremo de un alambre de cobre a una nube de tormenta. El otro extremo del alambre sujetaba una llave metálica, la cual a su vez estaba sujeta a la cuerda que Franklin usaba para sostener la cometa, cerca de su mano. Al acercar la cometa a la nube, las cargas acumuladas en la nube fluyeron a través del alambre y  Franklin fue capaz de sentir un choque eléctrico al tocar la llave. Por supuesto, sobra decir que este experimento es sumamente peligroso y no recomendamos que lo intenten! (Ilustración tomada de este enlace, no con el fin de hacerle propaganda a la página, pero sí para no atribuirme crédito por la imagen).

El mecanismo mediante el cual se acumulan las cargas en las nubes no está muy bien establecido. Podría deberse por ejemplo a la fricción entre las moléculas cuando el aire en la atmósfera se mueve. Esto es parecido a cuando frotamos un peine en el cabello y ambos se cargan, y podemos mover papelitos usando el peine.  Cuando la diferencia de cargas entre la nube y algún otro punto en consideración es grande, como otra nube o el suelo, las cargas de una de las regiones son atraídas hacia la otra región. Sin embargo, como no hay un medio conductor que les permita hacer esto, las cargas deben encontrar la manera de pasar a través del aire. El efecto de esta fuerza de atracción entre las dos regiones con cargas de signo opuesto hace que los electrones y los protones de las moléculas del aire en el medio se reorganicen separándose unas de otras. Es decir, los átomos pierden sus electrones, los cuales quedan libres para transportar carga en el medio. Esa es la diferencia entre un material conductor y uno aislante: el conductor tiene electrones libres y por lo tanto puede haber un movimiento de cargas (corriente eléctrica) a través suyo. Este fenómeno de la separación de los electrones se conoce como ionización y convierte al aire en un conductor permitiendo que las cargas fluyan de un lado a otro. Sin embargo, a pesar de la ionización del aire, la corriente encuentra todavía un grado considerable de  resistencia en el medio, por lo que se pierde mucha energía en forma de calor. Esto se conoce como Efecto Joule. Piense por ejemplo en un bombillo incandescente como los que se usan para iluminación doméstica. Estos que tienen un filamento de tungsteno en su interior que se calienta y emite luz cuando lo atraviesa una corriente. La luz que se emite proviene principalmente  (*) del hecho de que las cargas en el material, al calentarse, adquieren movilidad. Al moverse, se producen campos eléctricos y magnéticos que se propagan. La luz es un tipo de radiación llamada "radiación electromagnética" pues proviene justamente del movimiento de campos eléctricos y  magnéticos. Resumiendo: la luz viene de campos eléctricos y magnéticos, que vienen del movimiento de las cargas en el medio que a su vez viene de la temperatura (a nivel molecular, la temperatura es una medida de cuanta energía las partículas tienen para moverse). La radiación producida de esta manera se conoce como "radiación de cuerpo negro" o "radiación térmica" y explica porqué objetos  calientes emiten luz. Esto incluye desde la llama de una vela, hasta las estrellas en el Universo. Curiosamente, el estudio de la radiación de cuerpo negro, primero por Planck en 1901 y después por Einstein en 1905, fue uno de los pilares de la mecánica cuántica. Si los lectores están interesados, podríamos escribir sobre esto en una próxima publicación, eso sí, a manifestarse! Las temperaturas alcanzadas en un relámpago son muy altas, rondan los 30 000 grados centígrados.  El valor del voltaje asociado a esta descarga eléctrica varía de relámpago a relámpago, pero en general está entre los 10 y 120 MILLONES de Voltios. El valor de la corriente es también muy alto: entre 1200 y 200 000 Amperios  (datos tomados de este enlace). Si tomamos en cuenta que una corriente superior a 0,2 Amperios ya puede causar un paro cardíaco, es simplemente increíble que una persona sobreviva a un choque eléctrico de un relámpago.
En la próxima publicación, hablaré sobre cómo se produce el trueno y algunos otros detalles más.

(*) La radiación de cuerpo negro no es el único fenómeno responsable por la emisión de luz en los relámpagos, pero sí el de mayor contribución.