Develan los mecanismos implicados en la formación de rayos ‘invertidos’

De acuerdo con un artículo publicado en la revista Scientific Reports, las descargas eléctricas descendentes con carga positiva pueden inducir la producción de rayos ascendentes, que parten desde estructuras altas tales como torres en dirección hacia las nubes

Por Elton Alisson  |  Agência FAPESP – Un tipo de rayos “invertidos”, que en lugar de descender  desde las nubes y tocar el suelo, tal como ocurre con la mayoría de las descargas eléctricas, parten desde estructuras altas en la superficie y se propagan en dirección hacia las nubes, han empezado a observarse en Brasil durante los últimos años.

Científicos del Grupo de Electricidad Atmosférica (Elat) del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, en portugués), responsables de los primeros registros de este fenómeno en el país, han logrado develar ahora los mecanismos implicados en la formación de los llamados rayos ascendentes.

Los resultados de este estudio, que es producto de un proyecto apoyado por la FAPESP, salieron publicados en la revista Scientific Reports.

La investigación se llevó a cabo durante el doctorado de Carina Schumann en el Inpe, con una beca de la FAPESP.

“Constatamos que los rayos ascendentes comienzan en la punta de una torre o de un pararrayos de un edificio alto, por ejemplo, luego de un rayo descendente [en bajada] y a una distancia de hasta 60 kilómetros”, declaró Marcelo Magalhães Fares Saba, investigador del Inpe y coordinador del proyecto, a Agência FAPESP.

Para arribar a estas conclusiones, el grupo observó y registró 110 rayos ascendentes que se produjeron durante tormentas de verano en el Pico do Jaraguá, el punto más alto del municipio de São Paulo, en Brasil, y en Dakota do Sul, en Estados Unidos, entre 2011 y 2016.

Para ello emplearon una combinación de cámaras fotográficas digitales y de video de alta velocidad –con capacidad para registrar entre 10 y 40 mil imágenes por segundo–, además de medidores de campo eléctrico y de luminosidad, y una cámara de ultra alta velocidad que registra hasta 100 mil imágenes por segundo.

Son necesarias cámaras con estas velocidades de adquisición de imágenes para la realización de este tipo de estudios, pues el tiempo que pasa desde que surge un rayo “que baja” y otro “que sube” es sumamente pequeño, del orden de las centenas de milisegundos. Sin cámaras con esas velocidades, se hace imposible distinguirlos, según explicó Magalhães Fares Saba.

“No sería posible hacer esta serie de observaciones de rayos ascendentes, en una cantidad suficiente como para entender de qué manera comienzan, sin la ayuda de estas cámaras de alta y ultra alta velocidad”, añadió el investigador.

Los resultados de estos análisis, junto con datos de sistemas de medición de campos eléctricos, indicaron que son los rayos descendentes positivos –que dejan un saldo de carga negativa en la nube– los que suelen iniciar los rayos ascendentes.

Estos rayos descendentes positivos suelen producirse al final de una tormenta. Inmediatamente después del contacto de la descarga con el suelo, suelen poseer una corriente de larga duración y baja intensidad.

Esta corriente produce una perturbación fuerte y rápida en su distribución de cargas en la nube de tormenta. Y esta perturbación es la que normalmente genera las condiciones para el comienzo del rayo ascendente, según sostuvieron los investigadores.

“Los rayos positivos descendentes producen descargas negativas con extensión horizontal de muchos kilómetros dentro de la nube. Esas descargas negativas pueden pasar por arriba de torres altas e inducir cargas positivas en sus puntas. Si la intensidad de la carga eléctrica inducida es suficiente, pueden surgir desde las puntas de las torres descargas ascendentes que forman los rayos ‘que suben’”, dijo Magalhães Fares Saba.

El Pico do Jaraguá es el segundo lugar en términos de cantidad registros de rayos ascendentes en el mundo, detrás únicamente de una localidad situada en los Alpes Suizos.

A 1.135 metros sobre el nivel del mar, Jaraguá registra entre 30 y 40 rayos ascendentes por año en promedio, la mayoría en verano, pero también surgen en invierno cuando llegan los frentes fríos, según afirmó Magalhães Fares Saba.

“Hemos registrado el surgimiento de rayos ascendentes en el Pico do Jaraguá en invierno. Pero son más frecuentes durante la transición de la primavera al verano y en la del verano al otoño”, añadió el investigador.

Los daños en las estructuras

De acuerdo con los investigadores, los rayos descendentes son mucho más comunes del que los ascendentes, y ambos tipos poseen la misma intensidad. Con todo, los rayos ascendentes suelen tener una duración un 40% mayor y, afortunadamente, no generan riesgos de afectar a los humanos, pues se originan en las puntas de torres.

No obstante, mientras que el impacto de un rayo descendente aparece más distribuido, toda vez que en la mitad de los casos una misma descarga toca puntos distintos del suelo, el de un rayo ascendente está más localizado, en la punta de estructuras altas, que pueden sufrir daños.

“Hemos observado que estructuras de más de 70 metros están sujetas a generar rayos ascendentes”, dijo Magalhães Fares Saba.

Con la tendencia a la construcción de torres y edificios cada vez más altos en ciudades como São Paulo, el surgimiento de este tipo de rayos tiende a aumentar, ponderó el investigador.

“Los rayos ascendentes no existirían sin la presencia de estructuras altas”, dijo.

Los investigadores están evaluando ahora de qué manera responde un pararrayos a un rayo descendente, toda vez que, ni bien este tipo de rayo se aproxima, la estructura arroja hacia lo alto una descarga para conectarla a este.

“Esto puede ser importante para definir el área de protección de un pararrayos, por ejemplo”, dijo Magalhães Fares Saba.

Puede leerse el artículo initulado On the triggering mechanisms of upward lightning (DOI: 10.1038/s41598-019-46122-x), de Carina Schumann, Marcelo Magalhães Fares Saba, Tom A. Warner, Marco A. S. Ferro, John H. Helsdon Jr., Ron Thomas y Richard E. Orville, en la revista Scientific Reports, en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41598-019-46122-x.