Rayo
English: Lightning

Representación de un rayo.
Rayo cielo a tierra en Maracaibo-Venezuela

El rayo es una poderosa descarga natural de electricidad estática, producida durante una tormenta eléctrica, que genera un pulso electromagnético. La descarga eléctrica precipitada del rayo es acompañada por la emisión de luz (el relámpago), causada por el paso de corriente eléctrica, que ioniza las moléculas de aire, y por el sonido del trueno, desarrollado por la onda de choque. La electricidad (corriente eléctrica) que pasa a través de la atmósfera calienta y expande rápidamente el aire, produciendo el ruido característico del trueno. Los rayos se encuentran en estado plasmático.

En promedio, un rayo mide 1500 metros y el más extenso fue registrado en 2007 Oklahoma y alcanzó los 321 km de longitud [4][cita requerida]

Generalmente, los rayos son producidos por partículas positivas en la tierra y negativas en nubes de desarrollo vertical llamadas cumulonimbos. Cuando un cumulonimbo alcanza la tropopausa, las cargas positivas de la nube atraen a las cargas negativas; este movimiento de cargas a través de la atmósfera constituyen los rayos. Esto produce un efecto de ida y vuelta; se refiere a que al subir las partículas instantáneamente regresan causando la visión de que los rayos bajan. Un rayo puede generar una potencia instantánea de 1 gigawatt (mil millones de vatios),[5]​ pudiendo ser comparable a la de una explosión nuclear.

La disciplina que, dentro de la meteorología, estudia todo lo relacionado con los rayos se denomina ceraunología.[7]

Formación del rayo

Relámpago del Catatumbo, Zulia, Venezuela. La fábrica de ozono. Este fenómeno es capaz de producir 1.176.000 relámpagos por año, produciendo el 10% de la capa de ozono del planeta.

Como se inicia la descarga eléctrica sigue siendo un tema de debate.[9]

Los rayos pueden producirse en las nubes de cenizas de erupciones volcánicas, o puede ser causado por violentos incendios forestales que generen polvo capaz de crear carga estática.[11]

Hipótesis de la inducción electrostática

De acuerdo con la hipótesis de la inducción electrostática, las cargas son impulsadas con procesos que aún son inciertos. La separación de las cargas parece requerir de una fuerte corriente aérea ascendente que lleve las gotas de agua hacia arriba, superenfriándolas entre los 10 y los 20 °C bajo cero. Estas colisionan con los cristales de hielo formando una combinación de agua-hielo denominada granizo. Las colisiones producen que una carga ligeramente positiva sea transferida a los cristales de hielo, y una carga ligeramente negativa hacia el granizo. Las corrientes conducen los cristales de hielo menos pesados hacia arriba, causando que en la parte posterior de la nube se acumulen cargas positivas. La gravedad causa que el granizo más pesado con carga negativa caiga hacia el centro y a las partes más bajas de las nubes. La separación de cargas y la acumulación continúa hasta que el potencial eléctrico se vuelva suficiente para iniciar una descarga eléctrica, que ocurre cuando la distribución de las cargas positivas y negativas forman un campo eléctrico lo suficientemente fuerte.

Hipótesis del mecanismo de polarización

El mecanismo por el cual la separación de cargas sucede sigue siendo objeto de investigación. Otra hipótesis es el mecanismo de polarización, que tiene dos componentes:[12]

  1. La caída de las gotas de hielo y agua se vuelven eléctricamente polarizadas en el momento en que caen a través del campo eléctrico natural de la Tierra;
  2. Las partículas de hielo que chocan se cargan por inducción electroestática (mirar arriba).

Hay varias hipótesis adicionales que explican el origen de la separación de cargas.[14]

Ruta principal e impacto de retorno

Ilustración de una corriente negativa (roja) encontrándose con su contraparte positiva (azul) y formando el impacto de retorno. Haz clic para ver la animación.

En una nube de tormenta, una carga eléctrica igual pero opuesta a la carga de la base de la nube se induce en la tierra por debajo de la nube. El suelo con carga inducida sigue el movimiento de la nube manteniéndose por debajo; si el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte, una descarga electrostática (denominada corriente positiva) puede desarrollarse a partir de estas condiciones. Esto fue teorizado por Heinz Kasemir.[17]

Una vez que el canal de aire ionizado se establece entre la nube y el suelo, se convierte en una ruta de menor resistencia, y permite una propagación de corriente mucho mayor desde la tierra a la nube. Este es el impacto de retorno y es el que más intensidad luminosa posee, siendo una de las partes más notables de la descarga del rayo.

La descarga inicial bipolar, o ruta de aire ionizado, empieza con una combinación de agua con carga negativa y una región de hielo en la nube de tormenta. Los canales de descarga ionizados son conocidos como rutas principales de paso, la mayoría de éstas superan los 45 metros de longitud.[19]​ La progresión de las rutas principales de paso toma un tiempo relativamente largo en llegar al suelo (cientos de milisegundos). Esta fase inicial necesita de una relativamente pequeña corriente eléctrica (decenas o cientos de amperios, siendo ésta casi invisible, cuando se compara con el canal de rayos posterior.

Cuando una ruta principal de paso alcanza el suelo, la presencia de cargas opuestas en el suelo mejora la potencia del campo eléctrico. El campo eléctrico es más fuerte en objetos en contacto con el suelo cuyas partes más altas están cercanos a la base de la nube de tormenta, como árboles o edificios altos.

Secuencia del relámpago, dura 0,32 s