Rayos y tormentas

Las tempestades y los rayos en el mar 

Entre los riesgos a los que se exponen los navegantes, además de las tormentas o el hundimiento, el temor a los rayos  es una preocupación importante sobretodo en la navegación de recreo.

Por una parte, con la generalización de los sistemas GPS, los errores de navegación son raros. El navegante de recreo lo hace generalmente en verano, estación donde los vientos y tormentas con origen en algún frente o en una depresión son poco frecuentes y los suficientemente bien previstos por los servicios meteorológicos por lo que es fácil conseguir abrigo rápidamente.. Por el contrario, en el verano son frecuentes las tormentas. 

A pesar de lo que se habla del rayo en el mar o superficies acuáticas, el riesgo es estadísticamente menos elevado que en tierra y los accidentes corporales son poco frecuentes. Hay muchos testimonios en este sentido de navegantes que después de haber atravesado una tormenta, quedaron asombrados de no haber sido alcanzados por el rayo mientras caían a su alrededor por todas partes golpeando el mar.. Convencidos de que el mástil metálico, aislado en el océano debe atraer la tormenta, algunos no dudan en hablar de un verdadero milagro. Como veremos a continuación, un mástil metálico no atrae el rayo, más que en un pequeño radio. Lo que en tierra es un inconveniente para los pararrayos, en el mar es una ventaja. 

LAS NUBES TORMENTOSAS 

Las nubes tormentosas son enormes masas generalmente del tipo cúmulo-nimbos con forma de yunque que cubren varios kilómetros cuadrados y que tienen a veces hasta 10 Km. De altura. Están formadas por gotas de agua en su parte inferior y partículas de hielo en la superior Su formación se debe a  la aparición de corrientes atmosféricas ascendentes cuya velocidad puede sobrepasar los 70 Km/h, provocados por la convección natural o por el encuentro de aire caliente y húmedo y aire frío. Paralelamente a esos fenómenos termodinámicos, se produce una separación y una transferencia de cargas eléctricas dentro de la nube cuya parte superior se carga positivamente mientras que la inferior lo hace negativamente. Se encuentra con frecuencia un islote de cargas positivas encerrado dentro de la masa negativa. 

En una nube así electrizada, se pueden generar las descargas eléctricas. De ellas sólo una tercera parte alcanza el suelo mientras que las dos terceras partes restantes saltan en el interior de la nube o entre dos nubes diferentes y se les llama entonces rayos intra-nube o Inter.-nube.  

 

  FENÓMENOS PRECURSORES 

Cuando la nube está dispuesta para descargar el rayo, constituye un enorme dipolo que crea campos eléctricos intensísimos. Cuando la nube se aproxima, el campo eléctrico en el suelo que es normalmente del orden de 100 a 150 voltios por metro, comienza a invertirse y después crece enormemente. 

Cuando la intensidad alcanza entre 4 y 10kV/m, la descarga es inminente. Sobre un plano de agua grande (lago o mar), el campo crítico es más elevado y debe alcanzar entre 40 y 50 kV/m debido a la ausencia de cargas de espacio debidas al efecto corona que existen en tierra pero no en el agua. Esta inversión seguida de un rápido crecimiento del campo eléctrico, constituye pues el primer signo que anuncia la caída probable de un rayo. Los valores del campo dichos anteriormente suponen que el agua es una superficie plana y horizontal. 

Los relieves o prominencias modifican mucho esta situación y refuerzan localmente el campo según el llamado “poder de las puntas”. Cuando el objeto es muy destacado, en su extremo se forman efluvios o filamentos azules o violetas que producen crepitaciones características. Este fenómeno es conocido desde la antigüedad como fuegos de San Telmo y corresponden a lo que se llama hoy en día “efecto corona”. 

CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LOS RAYOS 

La primera fase de un rayo es siempre la formación de una predescarga poco luminosa o “trazador” que progresa a través de aire neutro. 

Según el origen del trazador, se distinguen varios tipos: 

Rayos descendentes (el trazador parte de una nube y progresa por saltos sucesivos formando arborescencias abiertas hacia abajo). Este trazador se llama trazador por saltos. Los rayos descendentes son los más frecuentes en sitios llanos 

Rayos ascendentes (el trazador parte del suelo, desde un objeto destacado como un pico puntiagudo y produce arborescencias abiertas hacia arriba.) 

En segundo lugar, distinguimos:

 

Rayos negativos (que descargan la parte negativa de la nube). 

Rayos positivos (que descargan la parte positiva de la nube. 

En nuestras regiones templadas (Europa), el 90% de los rayos son negativos. La proporción de rayos positivos parece que es más elevada en el mar, según las más recientes observaciones. 

Cada descarga tiene un proceso físico propio: cuando el trazador descendente cuya cabeza progresa por saltos se aproxima al suelo salta otro trazador que sale de una prominencia en el suelo y va a su encuentro.. Así se forma un canal ionizado continuo entre la nube y el suelo que va a permitir el paso de una corriente de gran intensidad llamada "arco de retorno”. Este proceso de unión es esencial para poner en marcha sistemas de protección y se llama ligadura. La ligadura es el proceso principal del mecanismo de impacto que explica como se decide el punto exacto donde va a golpear el rayo. Contrariamente a las ideas muy difundidas, el rayo no golpea como lo haría Zeus que ve su blanco y proyecta el fuego desde el cielo con precisión. Por el contrario, el trazador por saltos que sale de la nube tormentosa es miope y progresa abriendo un camino en el aire de forma totalmente aleatoria en la mayor parte de su trayectoria. En el último momento cuando faltan dos o trescientos metros para tierra se decide todo. El papel de las descargas ascendentes es entonces esencial. En el caso más frecuente del rayo negativo, el trazador por saltos es un canal ionizado que lleva un excedente de cargas negativas con una fuerte concentración en su punta. Cuando este trazador se aproxima al suelo, genera debajo un campo eléctrico que alcanza valores del orden del centenar de kilovoltios por metro. En este momento, los trazadores ascendentes positivos se lanzan bruscamente hacia el trazador descendente hasta que entran en contacto estableciendo un nexo continuo entre el suelo y la nube y se puede formar el arco eléctrico. La distancia entre el punto de origen del trazador ascendente y el punto de unión se llama habitualmente “distancia de cebado” y no sobrepasa nunca los 300 metros. En general, el rayo completo dura entre 0,01 y 2 segundos e implica de 2 a 3 arcos de retorno. La intensidad oscila entre 3000 y 200.000 amperios con un valor medio de 25.000 amperios. Recientemente se han observado algunos que han alcanzado los 500.000 amperios. Para que todos estos procesos se puedan realizar es necesario que la tensión entre la base de la nube y el suelo alcance un valor del orden de varios cientos de millones de voltios. 

  EL RELÁMPAGO 

 Cuando se produce la corriente eléctrica a lo largo del canal ionizado que constituye el “trazador”, ese canal se transforma instantáneamente en un verdadero arco eléctrico donde las temperaturas llegan a 20.000 o 30.000ºK. Se emite entonces una fulgurante luz y simultáneamente se produce una elevación de presión que llega a ser explosiva debido al calentamiento del canal lo que produce una onda de choque acústica o trueno. La distancia, longitud y orientación de los rayos es muy variable, lo que explica que a veces se perciben ruidos largos y sordos o por el contrario, golpeteos secos.. 

 EL RIESGO DE FULMINACIÓN 

 Es corriente clasificar la severidad tormentosa de una región por su nivel “keráunico” que es por definición “el número de días por año en los que se escucha la tormenta”. En algunas regiones del globo como Florida, el nivel llega a 100 e incluso 180 en África del Sur y en Indonesia. Estos datos se completan además con las indicaciones de las redes de localización de impactos. Estas redes suministran la densidad de los rayos expresada en número de impactos por km² y año. (2 impactos  en Europa) 

 Conociendo esta densidad en una región se puede evaluar la probabilidad de caída de rayo sobre un objeto por un método simple basado en un modelo electrogeométrico. Para hacer esto se determina para un objeto que sobresale cualquiera (casa, árbol, pararrayos o el mástil de un barco) su “superficie equivalente de captura”. Esta superficie se define como la superficie de un suelo plano que tendría la misma probabilidad de ser alcanzado que el objeto en cuestión. Conociendo la densidad local  expresada en impactos por km. Cuadrado y año, el valor de la superficie equivalente, el riesgo se deduce por simple proporcionalidad. En el caso de una varilla vertical de altura H sobre el suelo, la superficie equivalente de captura es un círculo cuyo radio vale 3 veces la altura de la varilla.. Si aplicamos esto al mástil de un barco con una altura de 15 metros por encima del plano del agua se obtiene una superficie equivalente de 6362 metros cuadrados o sea 0,0064 kilómetros cuadrados y si el barco está en una zona en la que hay 3 rayos por km cuadrado y año tenemos una probabilidad de caída de 0,0064 x 3 = 0,02 o sea una vez cada 50 años. Como ese barco no está ocupado permanentemente durante la estación tormentosa, los ocupantes tiene un riesgo aún menor. Esto muestra el motivo de que los accidentes en el mar sean relativamente raros. 

 ANÁLISIS DE UN ACCIDENTE EN EL MAR DEBIDO AL RAYO 

 Sobre una gran masa de agua, un barco, un velero, constituye un objeto sobresaliente o sea un punto de impacto posible para el rayo. En una barca o un barco sin mástil es preferible ponerse horizontalmente en el fondo y no destacar pero la mejor precaución es volver con urgencia a la orilla o buscar un abrigo en un acantilado, un puente o cualquier otro refugio.. En un barco con mástil, el rayo puede caer como si se tratara de un pararrayos. El principio de la protección consiste entonces en conseguir una continuidad eléctrica perfecta entre el mástil y el agua. Los veleros modernos tienen el mástil y los obenques metálicos que llevan la carga fácilmente hacia el agua. En el interior, la tripulación se beneficia de mucha protección. Si el casco es de material plástico o madera, conviene poner una o dos cadenas atadas al pie del mástil o en los obenques y sumergir el extremo libre en el agua. Se fabrica así un verdadero pararrayos y la protección del barco está asegurada. Las personas deberán ponerse en la parte más baja posible del interior, alejadas de las cadenas. El mayor problema lo tienen los viejos veleros con casco de madera y cabos de cuerda aislante. En este tipo de barcos, poco frecuente en la actualidad, se recomienda poner una cadena todo a lo largo del mástil y enrollarla una o dos veces en la base y después prolongarla hasta el mar. Como esto no está previsto inicialmente, es difícil imaginar como se coloca todo ese artilugio cuando sopla viento y hay oleaje. Por lo que concierne a la electrónica (radio, GPS, sonda, etc...) puede resultar dañada por efecto de la inducción debido a la radiación electromagnética de un rayo próximo aunque no sea de caída directa incluso a un centenar de metros. La principal precaución consiste en aislar las antenas de los aparatos desconectándolas e instalando descargadores de gas. Estos descargadores, aislantes en condiciones normales no tienen ninguna incidencia en la transmisión de señales eléctricas pero a partir de un cierto nivel de sobretensión, el gas se vuelve conductor y deriva la sobretensión hacia masa. Pueden colocarse pararrayos especiales pero deben hacerlo especialistas En cualquier caso, es aconsejable desembornar las conexiones de todos los aparatos eléctrico a bordo.. 

Fuentes

http://www.qsl.net/ea1rx/rayo/rayomar-2.htm

http://www.kayakdemar.org/index.php?topic=2839.0

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