Tormentas Eléctrica e ionización del aire

¿Por qué ocurren?

¿Qué significa ionización del aire y por qué es importante en una tormenta?

¿Qué es una tormenta eléctrica? l

Tormentas Eléctrica e ionización del aire

Acumulación de cargas eléctricas

*Curiosidades

Daniela Hernández

Descarga eléctrica (El Rayo)

IImportancia de protegerse

Efectos y consecuencias

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Explicación

Tormenta eléctrica

Una tormenta eléctrica es un fenómeno meteorológico caracterizado por la presencia de rayos y sus efectos sonoros en la atmósfera terrestre denominados truenos.​ El tipo de nubes meteorológicas que caracterizan a las tormentas eléctricas son las denominadas cumulonimbos (son las nubes grises y muy oscuras que vemos cuando se acerca una tormenta o lluvia, las cumulonimbus son nubes de gran desarrollo vertical, el cual obedece a la rapidez del ascenso producido por el movimiento de convección). Las tormentas eléctricas por lo general están acompañadas por vientos fuertes, lluvia copiosa y a veces nieve, granizo, o sin ninguna precipitación. Aquellas que producen granizo son denominadas granizadas. Las tormentas eléctricas fuertes o severas pueden rotar, en lo que se denomina superceldas. Mientras que la mayoría de las tormentas eléctricas se desplazan con la velocidad de desplazamiento promedio del viento en la capa de la tropósfera que ocupan, cortes de viento verticales pueden causar una desviación en su curso de desplazamiento en dirección perpendicular a la dirección de corte del viento.

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Origen

La formación de estos tipos de tormentas depende de la humedad del aire caliente que se eleva en una atmósfera inestable. La atmósfera se vuelve inestable cuando las condiciones son tales que una parcela de aire es más cálida que el aire que la rodea, por lo que puede elevarse libremente. El ascenso de aire caliente es un mecanismo que intenta restaurar la estabilidad. Si el desplazamiento del aire ascendente es lo suficientemente rápido, el aire se enfría (adiabáticamente) a temperaturas por debajo del punto de rocío y se condensa, liberando calor latente, que promueve el ascenso del aire y "alimenta" a la tormenta. Cúmulus aislados se forman con gran desarrollo vertical (hasta 10.000 m o más), alimentados por las corrientes de aire ascendente.

Las tormentas más fuertes se generan cuando el aire cálido y húmedo se eleva rápidamente, con velocidades que pueden alcanzar 160 kilómetros por hora, hacia mayores altitudes más frías. Se estima que en todo momento hay del orden de 2.000 tormentas eléctricas que tienen lugar en la superficie de la Tierra. Los rayos se producen cuando las partículas de hielo o la nieve empiezan a caer de una nube a gran altura hacia la superficie y corresponden a la liberación de energía debido a la diferencia de carga eléctrica entre las partículas.

Las tormentas pueden formarse dentro de las masas de aire que se elevan por convección, proceso común en las tardes de verano, cuando se calienta la superficie. El efecto orográfico (a barlovento en las grandes montañas) puede estar asociado a los frentes, siendo más intensa en el caso de los frentes fríos.

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¿Qué significa ionización del aire y por qué es importante en una tormenta?

¿Qué es?

¿Cómo funciona?

La ionización del aire es un proceso en el que las moléculas del aire pierden o ganan electrones, creando iones cargados positiva o negativamente. Este proceso puede purificar el aire al hacer que las partículas de polvo, polen, bacterias y virus se agrupen y caigan al suelo, o ser utilizado para neutralizar la electricidad estática en superficies. Las ventajas varían según el tipo de iones: la ionización negativa puede mejorar la calidad del aire y el bienestar, mientras que la ionización positiva puede tener efectos perjudiciales.

Tipos de iones y sus efectos

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Fases de una tormenta eléctrica

En la vida de una tormenta ordinaria (formada por convección de una masa de aire) por lo general se presentan tres fases (cada una dura normalmente de 15 a 30 minutos):

Etapa de disipación

Etapa de desarrollo

Madurez

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Medición de la distancia

Una vez que el sonido y la luz se mueven a través de la atmósfera a velocidades muy diferentes, puede estimarse la distancia de la tormenta por la diferencia de tiempo entre el relámpago (luz) y el trueno (sonido). La velocidad del sonido es de unos 332 m/s (variando en función de las condiciones meteorológicas). La velocidad de la luz es tan alta (~ 300.000 km/s) que el tiempo que tarda en llegar puede ser ignorado en este enfoque. Por lo tanto, la tormenta se encuentra aproximadamente a 1 km de distancia del observador por cada 3 segundos que pasan entre el relámpago y el trueno.

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Por qué es importante en una tormenta eléctrica

Proceso de ionización en una tormenta eléctrica

Aplicaciones

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Acumulación de cargas eléctricas

La acumulación de cargas eléctricas en una tormenta ocurre por la separación de partículas debido a las fuertes corrientes de aire dentro de la nube, especialmente en las nubes de gran desarrollo vertical como los cumulonimbus. La fricción entre partículas de hielo, granizo y gotas de agua crea una división: las cargas positivas se concentran en la parte superior de la nube (donde hay cristales de hielo) y las cargas negativas en la parte inferior (donde hay granizo o gotas de agua). Esto induce una carga positiva en la tierra, creando un gran campo eléctrico que finalmente se libera en forma de rayo.

Proceso de acumulación de cargas

• Fricción y colisiones: Las fuertes corrientes de aire dentro de una nube de tormenta hacen que las partículas de hielo, granizo y agua choquen y se froten entre sí.
• Separación de cargas: Parte superior de la nube: Los cristales de hielo más ligeros son arrastrados hacia arriba por las corrientes de convección, acumulando carga positiva. Parte inferior de la nube: Las partículas más pesadas, como el granizo, quedan atrapadas en la parte inferior, que acumula carga negativa.
• Inducción en la tierra: La gran masa de carga negativa en la base de la nube empuja las cargas negativas de la superficie terrestre hacia abajo y atrae las cargas positivas hacia la superficie.
• Creación del campo eléctrico: La diferencia de potencial entre la carga negativa de la nube y la carga positiva de la tierra crea un campo eléctrico muy intenso que se libera en una descarga.

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Descarga eléctrica: El Rayo

El rayo es una poderosa descarga natural de electricidad estática, producida durante una tormenta eléctrica generando un pulso electromagnético. La descarga eléctrica precipitada del rayo es acompañada por la emisión de luz (el relámpago).

Historia

Fenómenos relacionados

Distribución

Características

Peligros y protecciones

Descargas

Rayos extraterrestres

Carga de las nubes

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Efectos y consecuencias

Las tormentas eléctricas producen rayos y lluvias intensas, y pueden producir granizo, tornados, y vientos fuertes. Las lluvias intensas pueden provocar inundaciones repentinas, efecto que produce la muerte por ahogamiento a más personas cada año que los tornados, rayos o huracanes. Los rayos son responsables de muchos incendios en el mundo y también ocasionan la muerte. El granizo produce daños a la agricultura, los automóviles y ventanas, e incluso puede ocasionar la muerte de la vida silvestre. Los vientos fuertes (hasta más de 100 mph) pueden derribar árboles, líneas eléctricas y destruir estructuras o casas móviles. Los tornados (con vientos de más de 200 mph) pueden destruir todo lo que encuentren a su paso.

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¿Qué hacer en una tormenta electrica?

¿Qué hacer después de una tormenta eléctrica?

¿Qué hacer antes de una tormenta eléctrica?

¿Qué hacer durante una tormenta eléctrica?

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Curiosidades

3. El trueno no es más que aire explotando. El sonido del trueno se produce por la expansión súbita del aire al calentarse tan rápido por el paso del rayo; esa expansión genera una onda de choque audible a varios kilómetros.

1. El aire puede convertirse en conductor. Normalmente el aire es un aislante, pero cuando se ioniza por una diferencia de potencial muy alta (como en una tormenta), los electrones se liberan y permiten el paso de la corriente eléctrica, formando el relámpago.

2. Un rayo calienta el aire más que la superficie del Sol. La temperatura del canal del rayo puede alcanzar unos 30.000 °C, mientras que la superficie solar está en torno a 5.500 °C.

4. Los rayos no caen del todo “de arriba hacia abajo”. En realidad, el rayo se forma por el encuentro de dos descargas: una que baja desde la nube (líder escalonado) y otra que sube desde el suelo (líder ascendente). Se unen a mitad de camino.

5. Cada segundo caen unos 100 rayos en la Tierra. Eso significa que se producen más de 8 millones de rayos al día en todo el planeta 🌍.

• Generación de iones: Los ionizadores crean iones positivos y negativos que se liberan en el aire.
• Neutralización de cargas estáticas: Los iones con polaridad opuesta atraen y neutralizan la carga electrostática de los objetos, haciendo que el aire sea más conductivo.
• Purificación del aire: Los iones negativos se adhieren a partículas contaminantes como polvo, bacterias y virus. Al unirse, las hacen más pesadas, lo que provoca que caigan al suelo o se queden atrapadas en los filtros.

Iones negativos: Beneficios: Mejoran el rendimiento físico y mental, promueven la relajación, y ayudan a reducir problemas respiratorios como el asma y alergias. Fuentes naturales: Se encuentran en lugares como cascadas, costas, montañas y bosques. Iones positivos: Efectos: Pueden causar hiperactividad, ansiedad, dolores de cabeza y fatiga, y debilitar el sistema inmunológico. Fuentes: Se producen por la contaminación, el uso de aparatos electrónicos, calefacción y tormentas eléctricas.

La primera fase de una tormenta eléctrica o su nacimiento es la fase de cúmulo o fase de desarrollo. Durante esta fase, las masas de humedad se elevan hacia la atmósfera. El desencadenante de esta elevación puede ser la iluminación solar, donde el calentamiento del suelo produce corrientes térmicas, o donde dos vientos convergen forzando el aire hacia arriba, o donde los vientos soplan sobre terreno de elevación creciente. La humedad transportada hacia arriba se enfría en gotas líquidas de agua debido a las temperaturas más bajas a gran altitud, que aparecen como nubes núbes cúmulo. A medida que el vapor de agua se condensa en líquido, se libera calor latente, que calienta el aire, haciendo que se vuelva menos denso que el aire circundante, más seco. El aire tiende a elevarse en una corriente ascendente mediante el proceso de convección (de ahí el término precipitación convectiva). Este proceso crea una zona de baja presión dentro y debajo de la tormenta eléctrica en formación. En una tormenta eléctrica típica, se elevan a la atmósfera terrestre aproximadamente 500 millones de kilogramos de vapor de agua.

El crecimiento vertical alcanza su máximo y las nubes se acoplan con la forma de un yunque. Por lo general esto sucede cuando la inversión de aumento de la temperatura del aire es más estable (tropopausa). Los vientos dominantes en la alta altitud de las nubes cirrus comienzan a extenderse desde la parte superior de las nubes. Las bases son la parte frontal inferior y los relámpagos comienzan a aparecer en toda la extensión de las nubes. Dentro de las nubes, la turbulencia es intensa e irregular, con un equilibrio entre las corrientes ascendentes y descendentes. El peso de las partículas de la precipitación es suficiente para contrarrestar la corriente ascendente y éstas comienzan a caer, arrastrando el aire que las rodea. Como las partículas caen en los sectores más calientes de la nube, no hay aire seco que penetre al medio ambiente en la nube y puede dar lugar a la evaporación de estas partículas. La evaporación enfría el aire, por lo que es más densa o "pesada". Todo este aire frío que cae a través de la nube y precipitación que se forma la corriente de aire hacia abajo, cuando llegue a la superficie se puede propagar y formar un frente que avanza desplazando y reemplazando el aire caliente de la superficie. En esta etapa de la tormenta produce fuertes vientos, relámpagos y lluvias torrenciales.

En la fase de disipación, la tormenta está dominada por las corrientes frías descendente. Si las condiciones atmosféricas no favorecen el desarrollo supercelular, esta etapa se produce con bastante rapidez, aproximadamente a los 20-30 minutos de vida de la tormenta. La corriente descendente saldrá de la tormenta, tocará el suelo y se extenderá. Este fenómeno se conoce como downburst. El aire frío transportado al suelo por la corriente descendente corta el flujo de entrada de la tormenta, la corriente ascendente desaparece y la tormenta se disipa. Las tormentas eléctricas en una atmósfera prácticamente sin cizalladura vertical del viento se debilitan en cuanto envían un límite de flujo de salida en todas direcciones, que entonces corta rápidamente su flujo de entrada de aire relativamente cálido y húmedo, y acaba con el crecimiento posterior de la tormenta eléctrica.[2] La corriente descendente que golpea el suelo crea un límite de flujo de salida. Esto puede causar ráfagas descendentes, una condición potencialmente peligrosa para las aeronaves, ya que se produce un cambio sustancial en la velocidad y dirección del viento, lo que resulta en una disminución de la velocidad del aire y la consiguiente reducción de la sustentación de la aeronave. Cuanto más fuerte sea el límite de flujo de salida, más fuerte será la cizalladura vertical del viento resultante.

• Separación de cargas: Durante una tormenta, la separación de cargas dentro de las nubes crea un campo electrostático de alta intensidad. Inducción de cargas en el suelo: Este campo eléctrico induce cargas de signo opuesto en la superficie de la Tierra, que se acumulan principalmente en puntos elevados y puntiagudos.
• Ionización del aire: La intensidad del campo eléctrico hace que el aire entre la nube y la Tierra se vuelva conductor, ionizándose y formando un canal de aire ionizado. Esto ocurre cuando las cargas del extremo de una descarga que desciende de la nube se unen con el aire que se ioniza desde el suelo.
• Formación del rayo: La unión de estas descargas crea un canal conductor a través del cual la corriente eléctrica puede fluir, resultando en la descarga del rayo.

• Purificación de aire: Los purificadores de aire y sistemas de aire acondicionado con ionizadores mejoran la calidad del aire interior.
• Control de electricidad estática: Es una tecnología utilizada en industrias y entornos de cuarto limpio para eliminar la electricidad estática que puede causar problemas en procesos o equipos.
• Transporte público: Se implementa en sistemas de transporte para limpiar el aire de los vagones.

La ionización del aire es importante en una tormenta eléctrica porque crea un camino conductor para el rayo, permitiendo que la descarga eléctrica fluya desde las nubes hasta la tierra. Este proceso ocurre porque el campo eléctrico de alta intensidad de la tormenta hace que el aire se cargue, permitiendo que las partículas cargadas se muevan y formando un canal de aire ionizado, es decir, ionizado o descompuesto en partículas cargadas.

No hay que esperar a que llegue una tormenta eléctrica para tomar las medidas necesarias de protección a los sistemas eléctricos, electrodomésticos, o equipos de alto consumo de energía en fábricas. Lo principal y más importante es contar con pararrayos ubicados en la parte más elevada de un edificio y un sistema de tierras normalizado y con mantenimiento adecuado. Los pararrayos son dispositivos metálicos, en forma de varilla puntiaguda, desvían los rayos hacia el sistema de tierra, protegiendo así la estructura y los equipos internos de la descarga eléctrica. Además, es recomendable instalar sistemas de protección contra sobretensiones (SPDs) en el cuadro eléctrico principal. Estos dispositivos ayudan a evitar que los picos de voltaje, provocados por las descargas, dañan los electrodomésticos y equipos electrónicos.

Es importante apegarse al plan de emergencias y que las personas estén alejadas de ventanas y puertas, evitar el uso de teléfonos fijos y aparatos eléctricos, y no refugiarse bajo árboles o estructuras metálicas al aire libre. Desconectar los aparatos eléctricos y electrónicos durante la tormenta también es una medida prudente para protegerlos de posibles daños. No manipule herramientas u objetos metálicos. Evite el contacto con agua, especialmente en playas, ríos o lagos, ya que la salinidad puede aumentar la peligrosidad de las descargas eléctricas.

Cuando pase una tormenta eléctrica, es importante seguir algunas precauciones:

• Revisar si hay daños en la propiedad o cables de electricidad caídos y contactar a las compañías de seguros, servicios de emergencia y energía eléctrica.
• Esperar indicaciones de las autoridades, pues no se aconseja salir a la calle inmediatamente, ya que podría haber cables caídos o inundaciones.
• Ayudar a los demás con primeros auxilios si alguien ha sufrido quemaduras por carga eléctrica o con reanimación cardiopulmonar en caso de que la persona haya sido impactada por un rayo.