Con una cámara ultrarrápida, científicos brasileños revelan cómo funcionan los pararrayos

La inédita imagen, publicada en la portada de la revista Geophysical Research Letters, y captada por investigadores del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales, muestra descargas ascendentes positivas producidas por varios artefactos y por cornisas de edificios de la zona, que compiten para conectarse al rayo negativo que descendía de la nube

Por José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Con una cámara de video ultrarrápida, y el triunfo de estar en el lugar adecuado en el momento oportuno, el físico Marcelo Saba, investigador del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, en portugués), y el doctorando Diego Rhamon obtuvieron una imagen inédita de la descarga de un rayo, que muestra detalles de su conexión con varios pararrayos situados en las inmediaciones.

Esa extraordinaria imagen fue a parar a la portada de Geophysical Research Letters (GRL), una de las más importantes revistas científicas del área. Este trabajo, que se salió publicado en la edición de diciembre de dicha revista, contó con el apoyo de la FAPESP.

“La imagen se captó durante una noche de verano en la ciudad de São José dos Campos, en el interior del estado de São Paulo, cuando un rayo descendente de carga negativa se acercaba al suelo a una velocidad de 370 kilómetros por segundo [km/s]. En el instante en que la descarga estaba a solamente algunas decenas de metros del suelo, varios pararrayos y cornisas de edificios de la zona produjeron descargas positivas ascendentes, compitiendo para conectarse con el rayo que bajaba. La imagen final anterior a la conexión se obtuvo 25 millonésimas de segundo antes del impacto del rayo sobre uno de los edificios”, comenta Saba. Esa imagen espectacular fue la que los editores de GRL reprodujeron en la portada de la publicación.

El investigador informa que su cámara captó 40 mil imágenes por segundo. En superslow motion, el video muestra cómo reaccionan los pararrayos. Y también que los rayos pueden constituir un peligro si esos artificios de protección no se encuentran instalados correctamente. Sucede que, pese a haber más de 30 pararrayos en las cercanías, el rayo no se conectó con ninguno de ellos, sino con la chimenea de un horno emplazado en la azotea de uno de los edificios. “Una falla en la instalación dejó esa área desprotegida. Y el impacto de una corriente de 30 mil amperios produjo en ella un estrago impresionante”, dice.

Los rayos están constituidos en un 20 % en promedio por intercambios de cargas eléctricas entre las nubes y el suelo. El 80 % restante corresponde a descargas eléctricas que se producen en el interior de las nubes. Entre los que llegan al suelo, son casi en su totalidad rayos descendentes: empiezan en las nubes y se dirigen al suelo. Los rayos ascendentes también existen, pero son raros. Y solamente surgen en estructuras altas, tales como cumbres de montañas, rascacielos, torres y antenas. Dependiendo de la carga que trasladan al suelo, los rayos pueden también clasificarse como negativos o positivos.

“Los rayos pueden llegar a medir hasta 100 km de longitud. Y transportar corrientes del orden de los 30 mil amperios. Esto equivale a la corriente utilizada por 30 mil lámparas de 100 vatios funcionando juntas. En algunos casos, la corriente puede llegar a los 300 mil amperios. La temperatura de un rayo, de 30 mil °C, es cinco veces mayor que la temperatura de la superficie del Sol”, afirma Saba.

Cómo se forman los rayos

El investigador explica que todo empieza con la electrificación de las nubes. Su mecanismo aún no se conoce a ciencia cierta. Pero, grosso modo, es producto del rozamiento entre partículas de hielo, pequeñas gotas de agua y granizo, que libera cargas y genera polaridades entre distintas zonas de las nubes, con diferencias de potencial eléctrico que varían de 100 millones a 1.000 millones de voltios. “Hay que tener en cuenta que las nubes de tormenta son estructuras enormes cuya base se encuentra a 2 o 3 km del suelo y cuya cima puede llegar a los 20 km de altura. Sus diámetros oscilan entre los 10 km y los 20 km”, dice.

La forma ramificada que asumen los rayos se explica debido al hecho de que las cargas eléctricas buscan el camino más fácil, es decir, aquel que ofrece menor resistencia, y no el camino más corto, que sería la línea recta. El camino más fácil, generalmente en zigzag, es determinado por diferentes características eléctricas de la atmósfera, la cual no es homogénea. “Un rayo compuesto por varias descargas puede durar hasta dos segundos. Sin embargo, cada descarga dura tan solo fracciones de milésimas de segundo”, añade Saba.

El investigador destaca que el pararrayos no atrae ni repele los rayos. Tampoco descarga las nubes, tal como se pensaba antiguamente. Sencillamente le ofrece al rayo un camino fácil y seguro hacia el suelo.

Como no siempre es posible contar con la protección de un pararrayos, y el verano es la época en la que se registran en mayor medida las descargas eléctricas atmosféricas, conviene considerar las recomendaciones de Saba. “Las tormentas ocurren más bien por las tardes y no durante las mañanas. Por eso hay que tener cuidado con las actividades que se hacen al aire libre en las tardes de verano. Al escuchar un trueno, es hora de buscar refugio. Nunca hay que quedarse debajo de los árboles o de columnas. Ni tampoco bajo techos precarios. En caso de que no haya un sitio robusto para protegerse, hay que permanecer dentro del coche y esperar que la tormenta pase. De no estar en un auto y no tener cualquier otro lugar en dónde albergarse, hay que agacharse con los pies juntos. Nunca quedarse parado, ni tampoco acostado. Dentro de casa, evítese el contacto con electrodomésticos y el uso de teléfonos inalámbricos.”

El investigador afirma que una persona alcanzada por rayo puede sobrevivir. Y existen varios ejemplos de ello. Las probabilidades aumentan cuando la persona es atendida rápidamente. “El paro cardíaco es la única causa de la muerte. En ese caso, el procedimiento recomendable es la resucitación cardiopulmonar”, enseña.

Saba inició el estudio sistemático de los relámpagos con cámaras de alta velocidad en el año 2003. Dicha investigación, aún en curso, generó el mayor banco de videos del mundo de rayos filmados en alta velocidad. El investigador y sus dirigidos ya han sido contemplados con 17 ayudas o becas de la FAPESP.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Close View of the Lightning Attachment Process Unveils the Streamer Zone Fine Structure en el siguiente enlace: agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022GL101482.