Iluminación

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El rayo es un fenómeno natural formado por descargas electrostáticas a través de la atmósfera entre dos regiones cargadas eléctricamente , ya sea ambas en la atmósfera o una en la atmósfera y otra en el suelo , neutralizándolas temporalmente en una liberación casi instantánea de un promedio de entre 200 megajulios y 7 gigajulios de energía , dependiendo del tipo. ^{[1] [2] [3]} Esta descarga puede producir una amplia gama de radiación electromagnética , desde calor creado por el rápido movimiento de electrones , hasta destellos brillantes de luz visible en forma de radiación de cuerpo negro . El rayo causa truenos , un sonido de la onda de choque que se desarrolla cuando los gases en las proximidades de la descarga experimentan un aumento repentino de presión. Los rayos ocurren comúnmente durante tormentas eléctricas , así como otros tipos de sistemas meteorológicos energéticos, pero los rayos volcánicos también pueden ocurrir durante erupciones volcánicas . El rayo es un fenómeno eléctrico atmosférico y contribuye al circuito eléctrico atmosférico global .

Los tres tipos principales de rayos se distinguen por dónde ocurren: ya sea dentro de una sola nube de tormenta (intra-nube), entre dos nubes (nube a nube) o entre una nube y el suelo (nube a suelo), en cuyo caso se denomina impacto de rayo . ^{[4] [5]} Se reconocen muchas otras variantes observacionales, incluyendo el " rayo de calor ", que puede verse desde una gran distancia pero no oírse; el rayo seco , que puede causar incendios forestales ; y el rayo en bola , que rara vez se observa científicamente.

Los seres humanos han deificado los rayos durante milenios. Las expresiones idiomáticas derivadas de los rayos, como la expresión inglesa "bolt from the blue", son comunes en todos los idiomas. En todos los tiempos, la gente se ha sentido fascinada por la visión y la diferencia de los rayos. El miedo a los rayos se llama astrafobia .

La primera fotografía conocida de un rayo es de 1847, de Thomas Martin Easterly . ^[6] La primera fotografía que se conserva es de 1882, de William Nicholson Jennings , ^[7]  un fotógrafo que pasó la mitad de su vida capturando imágenes de rayos y demostrando su diversidad.

Cada vez hay más pruebas de que la actividad de los rayos aumenta debido a las emisiones de partículas (una forma de contaminación del aire). ^{[8] [9] [10]} Sin embargo, los rayos también pueden mejorar la calidad del aire y limpiar los gases de efecto invernadero, como el metano, de la atmósfera, al tiempo que crean óxido de nitrógeno y ozono . ^[11] Los rayos también son la principal causa de los incendios forestales, ^[12] y los incendios forestales también pueden contribuir al cambio climático. ^[13] Se necesitan más estudios para aclarar su relación.

Los científicos aún están estudiando los detalles del proceso de carga, pero hay un acuerdo general sobre algunos de los conceptos básicos de la electrificación de las tormentas eléctricas. La electrificación puede ser por el efecto triboeléctrico que conduce a la transferencia de electrones o iones entre cuerpos en colisión. Las gotas de agua sin carga que colisionan pueden cargarse debido a la transferencia de carga entre ellas (como iones acuosos) en un campo eléctrico como existiría en una nube de tormenta. ^[14] La principal zona de carga en una tormenta eléctrica se produce en la parte central de la tormenta, donde el aire se mueve hacia arriba rápidamente (corriente ascendente) y las temperaturas varían de −15 a −25 °C (5 a −13 °F); consulte la Figura 1. En esa zona, la combinación de temperatura y el rápido movimiento ascendente del aire produce una mezcla de gotitas de nubes superenfriadas (pequeñas gotitas de agua por debajo del punto de congelación), pequeños cristales de hielo y granizo blando. La corriente ascendente transporta las gotitas de nubes superenfriadas y los cristales de hielo muy pequeños hacia arriba.

Al mismo tiempo, el granizo, que es considerablemente más grande y denso, tiende a caer o a quedar suspendido en el aire ascendente. ^[15]

Las diferencias en el movimiento de la precipitación provocan colisiones. Cuando los cristales de hielo que se elevan chocan con el granizo, los cristales de hielo se cargan positivamente y el granizo se carga negativamente (véase la Figura 2). La corriente ascendente lleva los cristales de hielo cargados positivamente hacia arriba, hacia la parte superior de la nube de tormenta. El granizo, más grande y denso, queda suspendido en el medio de la nube de tormenta o cae hacia la parte inferior de la tormenta. ^[15]

El resultado es que la parte superior de la nube de tormenta se carga positivamente mientras que la parte media e inferior de la nube de tormenta se carga negativamente. ^[15]

Los movimientos ascendentes dentro de la tormenta y los vientos en niveles superiores de la atmósfera tienden a hacer que los pequeños cristales de hielo (y la carga positiva) en la parte superior de la nube de tormenta se extiendan horizontalmente a cierta distancia de la base de la nube de tormenta. Esta parte de la nube de tormenta se llama yunque. Si bien este es el principal proceso de carga de la nube de tormenta, algunas de estas cargas pueden redistribuirse mediante los movimientos del aire dentro de la tormenta (corrientes ascendentes y descendentes). Además, hay una pequeña pero importante acumulación de carga positiva cerca de la parte inferior de la nube de tormenta debido a la precipitación y las temperaturas más cálidas. ^[15]

La separación inducida de carga en agua líquida pura se conoce desde la década de 1840, al igual que la electrificación del agua líquida pura por el efecto triboeléctrico. ^[16]

William Thomson (Lord Kelvin) demostró que la separación de carga en el agua ocurre en los campos eléctricos habituales en la superficie de la Tierra y desarrolló un dispositivo de medición de campo eléctrico continuo utilizando ese conocimiento. ^[17]

Kelvin demostró la separación física de la carga en diferentes regiones utilizando agua líquida con el gotero de agua Kelvin . Se consideró que las especies portadoras de carga más probables eran el ion hidrógeno acuoso y el ion hidróxido acuoso. ^[18]

También se ha considerado la carga eléctrica del hielo de agua sólida. Se consideró nuevamente que las especies cargadas eran el ion hidrógeno y el ion hidróxido. ^{[19] [20]}

Un electrón no es estable en agua líquida en relación con un ion hidróxido más hidrógeno disuelto durante las escalas de tiempo involucradas en las tormentas eléctricas. ^[21]

El portador de carga en un rayo son principalmente electrones en un plasma. ^[22] El proceso de pasar de la carga como iones (iones de hidrógeno positivos e iones de hidróxido negativos) asociados con agua líquida o agua sólida a la carga como electrones asociados con un rayo debe involucrar alguna forma de electroquímica, es decir, la oxidación y/o la reducción de especies químicas. ^[23] Como el hidróxido funciona como una base y el dióxido de carbono es un gas ácido, es posible que las nubes de agua cargadas en las que la carga negativa está en forma de ion hidróxido acuoso, interactúen con el dióxido de carbono atmosférico para formar iones de carbonato acuoso e iones de hidrogenocarbonato acuoso.

El típico relámpago nube-tierra culmina con la formación de un canal de plasma conductor de electricidad a través del aire de más de 5 km (3,1 mi) de altura, desde dentro de la nube hasta la superficie del suelo. La descarga real es la etapa final de un proceso muy complejo. ^[24] En su punto máximo, una tormenta eléctrica típica produce tres o más descargas sobre la Tierra por minuto. ^[25]

Los rayos se producen principalmente cuando el aire cálido se mezcla con masas de aire más frío, ^[26] lo que produce perturbaciones atmosféricas necesarias para polarizar la atmósfera. ^[27]

Los rayos también pueden ocurrir durante tormentas de polvo , incendios forestales , tornados , erupciones volcánicas e incluso en el frío del invierno, donde el rayo se conoce como nevada eléctrica . ^{[28] [29]} Los huracanes suelen generar algunos rayos, principalmente en las bandas de lluvia a una distancia de hasta 160 km (99 mi) del centro. ^{[30] [31] [32]}

Los rayos no se distribuyen uniformemente alrededor de la Tierra . En la Tierra, la frecuencia de los rayos es de aproximadamente 44 (± 5) veces por segundo, o casi 1.400 millones de destellos por año ^[34] y la duración media es de 0,52 segundos ^[35], compuesta por una serie de destellos (destellos) mucho más cortos de alrededor de 60 a 70 microsegundos . ^[36]

Muchos factores afectan la frecuencia, distribución, fuerza y ​​propiedades físicas de un relámpago típico en una región particular del mundo. Estos factores incluyen la elevación del terreno, la latitud , las corrientes de viento predominantes , la humedad relativa y la proximidad a cuerpos de agua cálidos y fríos. Hasta cierto punto, las proporciones de relámpagos intranubes, de nube a nube y de nube a tierra también pueden variar según la estación en latitudes medias .

Debido a que los seres humanos son terrestres y la mayoría de sus posesiones están en la Tierra, donde los rayos pueden dañarlas o destruirlas, los rayos de nube a tierra (CG) son los más estudiados y mejor comprendidos de los tres tipos, aunque los rayos en las nubes (IC) y de nube a nube (CC) son los tipos de rayos más comunes. La relativa imprevisibilidad de los rayos limita una explicación completa de cómo o por qué ocurren, incluso después de cientos de años de investigación científica. Aproximadamente el 70% de los rayos ocurren sobre tierra en los trópicos ^[37], donde la convección atmosférica es mayor.

Esto se produce tanto por la mezcla de masas de aire más cálidas y más frías , como por las diferencias en las concentraciones de humedad, y generalmente ocurre en los límites entre ellas . El flujo de corrientes oceánicas cálidas que pasan por masas de tierra más secas, como la Corriente del Golfo , explica en parte la elevada frecuencia de rayos en el sureste de los Estados Unidos . Debido a que las grandes masas de agua carecen de la variación topográfica que daría lugar a la mezcla atmosférica, los rayos son notablemente menos frecuentes sobre los océanos del mundo que sobre la tierra. Los polos Norte y Sur están limitados en su cobertura de tormentas eléctricas y, por lo tanto, dan lugar a áreas con menos rayos. ^{[ aclaración necesaria ]}

En general, los relámpagos de gravedad extrema representan solo el 25% de todos los relámpagos del mundo. Dado que la base de una tormenta eléctrica suele estar cargada negativamente, aquí es donde se originan la mayoría de los relámpagos de gravedad extrema. Esta región suele estar en la elevación donde se produce la congelación dentro de la nube. La congelación, combinada con las colisiones entre el hielo y el agua, parece ser una parte fundamental del proceso inicial de desarrollo y separación de la carga. Durante las colisiones impulsadas por el viento, los cristales de hielo tienden a desarrollar una carga positiva, mientras que una mezcla más pesada y fangosa de hielo y agua (llamada granizo ) desarrolla una carga negativa. Las corrientes ascendentes dentro de una nube de tormenta separan los cristales de hielo más ligeros del granizo más pesado, lo que hace que la región superior de la nube acumule una carga espacial positiva mientras que el nivel inferior acumula una carga espacial negativa.

Como la carga concentrada dentro de la nube debe superar las propiedades aislantes del aire, y esto aumenta proporcionalmente a la distancia entre la nube y el suelo, la proporción de descargas de CG (en comparación con las descargas de CC o IC) se vuelve mayor cuando la nube está más cerca del suelo. En los trópicos, donde el nivel de congelación es generalmente más alto en la atmósfera, solo el 10% de los relámpagos son de CG. En la latitud de Noruega (alrededor de 60° de latitud norte), donde la elevación de congelación es menor, el 50% de los relámpagos son de CG. ^{[38] [39]}

Los rayos suelen ser producidos por nubes cumulonimbus , que tienen bases que suelen estar a 1 o 2 km (0,62 a 1,24 mi) sobre el suelo y cimas de hasta 15 km (9,3 mi) de altura.

El lugar de la Tierra donde se producen más rayos es sobre el lago de Maracaibo , donde el fenómeno del relámpago del Catatumbo produce 250 rayos al día. ^[40] Esta actividad ocurre en promedio, 297 días al año. ^[41] La segunda mayor densidad de rayos está cerca del pueblo de Kifuka en las montañas del este de la República Democrática del Congo , ^[42] donde la elevación es de alrededor de 975 m (3200 pies). En promedio, esta región recibe 158 rayos por kilómetro cuadrado por año (410/mi²/año). ^[43] Otros puntos calientes de rayos incluyen Singapur ^[44] y Lightning Alley en Florida Central . ^{[45] [46]}

Según la Organización Meteorológica Mundial , el 29 de abril de 2020 se observó un rayo de 768 km (477,2 mi) de longitud en el sur de los EE. UU., sesenta km (37 mi) más largo que el récord de distancia anterior (sur de Brasil, 31 de octubre de 2018). ^[47] Un solo rayo en Uruguay y el norte de Argentina el 18 de junio de 2020 duró 17,1 segundos, 0,37 segundos más que el récord anterior (4 de marzo de 2019, también en el norte de Argentina). ^[47]

Para que se produzca una descarga electrostática , son necesarias dos condiciones previas: en primer lugar, debe existir una diferencia de potencial suficientemente alta entre dos regiones del espacio y, en segundo lugar, un medio de alta resistencia debe impedir la libre y sin trabas ecualización de las cargas opuestas. La atmósfera proporciona el aislamiento eléctrico, o barrera, que impide la libre ecualización entre regiones cargadas de polaridad opuesta.

Se sabe bien que durante una tormenta eléctrica hay separación y agregación de carga en ciertas regiones de la nube; sin embargo, los procesos exactos por los cuales esto ocurre no se comprenden completamente. ^[48]

A medida que una nube de tormenta se desplaza sobre la superficie de la Tierra, se induce una carga eléctrica igual , pero de polaridad opuesta, en la superficie de la Tierra debajo de la nube. La carga superficial positiva inducida, cuando se mide con respecto a un punto fijo, será pequeña a medida que la nube de tormenta se acerque, aumentará a medida que llegue el centro de la tormenta y disminuirá a medida que pase la nube de tormenta. El valor de referencia de la carga superficial inducida podría representarse aproximadamente como una curva de campana.

Las regiones con cargas opuestas crean un campo eléctrico en el aire que se encuentra entre ellas. Este campo eléctrico varía en relación con la intensidad de la carga superficial en la base de la nube de tormenta: cuanto mayor sea la carga acumulada, mayor será el campo eléctrico.

La forma de relámpago mejor estudiada y comprendida es la de nube a tierra (CG). Aunque son más comunes, los relámpagos intranube (IC) y nube a nube (CC) son muy difíciles de estudiar, dado que no hay puntos "físicos" para monitorear dentro de las nubes. Además, dada la muy baja probabilidad de que un relámpago caiga en el mismo punto repetida y consistentemente, la investigación científica es difícil incluso en áreas de alta frecuencia de CG.

En un proceso que no se entiende bien, se inicia un canal bidireccional de aire ionizado , llamado " líder ", entre regiones con carga opuesta en una nube de tormenta. Los líderes son canales eléctricamente conductores de gas ionizado que se propagan a través de, o son atraídos de otra manera a, regiones con una carga opuesta a la de la punta del líder. El extremo negativo del líder bidireccional llena una región de carga positiva, también llamada pozo, dentro de la nube, mientras que el extremo positivo llena un pozo de carga negativa. Los líderes a menudo se dividen, formando ramas en un patrón similar a un árbol. ^[49] Además, los líderes negativos y algunos positivos viajan de manera discontinua, en un proceso llamado "paso". El movimiento espasmódico resultante de los líderes se puede observar fácilmente en videos en cámara lenta de relámpagos.

Es posible que un extremo del líder llene por completo el pozo de carga opuesta mientras que el otro extremo sigue activo. Cuando esto sucede, el extremo del líder que llenó el pozo puede propagarse fuera de la nube de tormenta y dar como resultado un destello de nube a aire o un destello de nube a tierra. En un destello de nube a tierra típico, un líder bidireccional se inicia entre las regiones de carga negativa principal y positiva más baja en una nube de tormenta. La región de carga positiva más débil se llena rápidamente con el líder negativo que luego se propaga hacia el suelo cargado inductivamente.

Los líderes con carga positiva y negativa avanzan en direcciones opuestas, la positiva hacia arriba dentro de la nube y la negativa hacia la Tierra. Ambos canales iónicos avanzan, en sus respectivas direcciones, en una serie de chorros sucesivos. Cada líder "acumula" iones en las puntas principales, expulsando uno o más líderes nuevos, que se vuelven a acumular momentáneamente para concentrar iones cargados y expulsan luego otro líder. El líder negativo continúa propagándose y dividiéndose a medida que se dirige hacia abajo, a menudo acelerando a medida que se acerca a la superficie de la Tierra.

Aproximadamente el 90% de las longitudes de los canales iónicos entre "piscinas" tienen una longitud de aproximadamente 45 m (148 pies). ^[50] El establecimiento del canal iónico requiere una cantidad de tiempo comparativamente larga (cientos de milisegundos ) en comparación con la descarga resultante, que se produce en unas pocas docenas de microsegundos. La corriente eléctrica necesaria para establecer el canal, medida en decenas o cientos de amperios , se ve eclipsada por las corrientes posteriores durante la descarga real.

La iniciación del líder del rayo no se entiende bien. La intensidad del campo eléctrico dentro de la nube de tormenta no suele ser lo suficientemente grande como para iniciar este proceso por sí sola. ^[51] Se han propuesto muchas hipótesis. Una hipótesis postula que las lluvias de electrones relativistas son creadas por rayos cósmicos y luego se aceleran a velocidades más altas a través de un proceso llamado ruptura descontrolada . A medida que estos electrones relativistas chocan e ionizan moléculas de aire neutrales, inician la formación del líder. Otra hipótesis implica la formación de campos eléctricos mejorados localmente cerca de gotas de agua alargadas o cristales de hielo. ^[52] La teoría de la percolación , especialmente para el caso de percolación sesgada, ^{[53] [ aclaración necesaria ]} describe fenómenos de conectividad aleatoria, que producen una evolución de estructuras conectadas similar a la de los rayos. Un modelo de avalancha de serpentinas ^[54] ha sido favorecido recientemente por los datos de observación tomados por LOFAR durante las tormentas. ^{[55] [56]}

Cuando un líder escalonado se acerca al suelo, la presencia de cargas opuestas en el suelo aumenta la fuerza del campo eléctrico . El campo eléctrico es más fuerte en los objetos conectados a tierra cuyas cimas están más cerca de la base de la nube de tormenta, como árboles y edificios altos. Si el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte, un canal iónico cargado positivamente, llamado corriente positiva o ascendente , puede desarrollarse a partir de estos puntos. Esto fue teorizado por primera vez por Heinz Kasemir. ^{[57] [58] [59]}

A medida que se acercan los líderes cargados negativamente, aumentando la intensidad del campo eléctrico localizado, los objetos conectados a tierra que ya experimentan una descarga de corona superarán un umbral y formarán corrientes ascendentes.

Una vez que un conductor descendente se conecta a un conductor ascendente disponible, un proceso conocido como unión, se forma una ruta de baja resistencia y puede producirse una descarga. Se han tomado fotografías en las que se ven claramente las corrientes de aire no unidas. Los conductores descendentes no unidos también son visibles en los rayos ramificados, ninguno de los cuales está conectado a tierra, aunque parezca que lo están. Los videos de alta velocidad pueden mostrar el proceso de unión en curso. ^[60]

Una vez que un canal conductor une el espacio de aire entre el exceso de carga negativa en la nube y el exceso de carga positiva en la superficie que se encuentra debajo, se produce una gran caída de la resistencia a lo largo del canal del rayo. Como resultado, los electrones se aceleran rápidamente en una zona que comienza en el punto de unión y se expande por toda la red de conductores a una velocidad de hasta un tercio de la velocidad de la luz. ^[61] Esta es la "reacción de retorno" y es la parte más luminosa y perceptible de la descarga del rayo.

Una gran carga eléctrica fluye a lo largo del canal de plasma, desde la nube hasta el suelo, neutralizando la carga positiva de tierra a medida que los electrones fluyen desde el punto de impacto hacia el área circundante. Esta enorme oleada de corriente crea grandes diferencias de voltaje radiales a lo largo de la superficie del suelo. Llamados potenciales de paso, ^{[ cita requerida ]} son ​​responsables de más lesiones y muertes en grupos de personas o de otros animales que el propio impacto. ^[62] La electricidad toma todos los caminos disponibles. ^[63] Estos potenciales de paso a menudo harán que la corriente fluya a través de una pierna y salga por la otra, electrocutando a un desafortunado humano o animal que se encuentre cerca del punto donde cae el rayo.

La corriente eléctrica del rayo de retorno es en promedio de 30 kiloamperios para un rayo de CG negativo típico, a menudo denominado rayo de "CG negativo". En algunos casos, un rayo de tierra a nube (GC) puede originarse en una región con carga positiva en el suelo debajo de una tormenta. Estas descargas normalmente se originan en las partes superiores de estructuras muy altas, como antenas de comunicaciones. Se ha descubierto que la velocidad a la que viaja la corriente del rayo de retorno es de alrededor de 100.000 km/s (un tercio de la velocidad de la luz). ^[64]

El flujo masivo de corriente eléctrica que se produce durante el recorrido de retorno combinado con la velocidad a la que se produce (medida en microsegundos) sobrecalienta rápidamente el canal principal completado, formando un canal de plasma altamente conductor de electricidad. La temperatura central del plasma durante el recorrido de retorno puede superar los 27.800 °C (50.000 °F), ^[65] lo que hace que irradie un color azul blanquecino brillante. Una vez que la corriente eléctrica deja de fluir, el canal se enfría y se disipa en decenas o cientos de milisegundos, desapareciendo a menudo en forma de parches fragmentados de gas incandescente. El calentamiento casi instantáneo durante el recorrido de retorno hace que el aire se expanda explosivamente, produciendo una poderosa onda de choque que se oye como un trueno.

Los videos de alta velocidad (examinados cuadro por cuadro) muestran que la mayoría de los relámpagos generados por computadora en negativo están compuestos por 3 o 4 rayos individuales, aunque puede haber hasta 30. ^[66]

Cada nuevo impacto está separado por un lapso de tiempo relativamente largo, normalmente de 40 a 50 milisegundos, ya que otras regiones cargadas en la nube se descargan en los impactos subsiguientes. Los nuevos impactos suelen causar un notable efecto de " luz estroboscópica ". ^[67]

Para entender por qué varios rayos de retorno utilizan el mismo canal de rayos, es necesario comprender el comportamiento de los líderes positivos, en los que un rayo de tierra típico se convierte efectivamente después de la conexión del líder negativo con el suelo. Los líderes positivos se desintegran más rápidamente que los negativos. Por razones que no se comprenden bien, los líderes bidireccionales tienden a iniciarse en las puntas de los líderes positivos desintegrados en las que el extremo negativo intenta reionizar la red de líderes. Estos líderes, también llamados líderes de retroceso , generalmente se desintegran poco después de su formación. Cuando logran hacer contacto con una parte conductora de la red principal de líderes, se produce un proceso similar al de un rayo de retorno y un líder de dardo viaja a través de toda o una parte de la longitud del líder original. Los líderes de dardo que hacen conexiones con el suelo son los que causan la mayoría de los rayos de retorno posteriores. ^[68]

Cada pasada sucesiva está precedida por pasadas intermedias de dardo líder que tienen un tiempo de ascenso más rápido pero una amplitud menor que la pasada de retorno inicial. Cada pasada posterior suele reutilizar el canal de descarga ocupado por la anterior, pero el canal puede desplazarse de su posición anterior a medida que el viento desplaza el canal caliente. ^[69]

Dado que los procesos de retroceso y de líder de dardo no ocurren en líderes negativos, los golpes de retorno posteriores rara vez utilizan el mismo canal en destellos de tierra positivos, que se explican más adelante en el artículo. ^[68]

La corriente eléctrica dentro de una descarga típica de un rayo de CG negativo aumenta muy rápidamente hasta su valor máximo en 1 a 10 microsegundos, luego decae más lentamente durante 50 a 200 microsegundos. La naturaleza transitoria de la corriente dentro de un rayo da lugar a varios fenómenos que deben abordarse para lograr una protección eficaz de las estructuras terrestres. Las corrientes que cambian rápidamente tienden a viajar sobre la superficie de un conductor, en lo que se denomina efecto pelicular , a diferencia de las corrientes continuas, que "fluyen a través" de todo el conductor como el agua a través de una manguera. Por lo tanto, los conductores utilizados en la protección de las instalaciones tienden a ser multifilares, con pequeños cables tejidos entre sí. Esto aumenta el área de superficie total del haz en proporción inversa al radio de cada hebra, para un área de sección transversal total fija .

Las corrientes que cambian rápidamente también crean pulsos electromagnéticos (PME) que irradian hacia afuera desde el canal iónico. Esta es una característica de todas las descargas eléctricas. Los pulsos irradiados se debilitan rápidamente a medida que aumenta su distancia desde el origen. Sin embargo, si pasan sobre elementos conductores como líneas eléctricas, líneas de comunicación o tuberías metálicas, pueden inducir una corriente que viaja hacia afuera hasta su terminación. La corriente de sobretensión está inversamente relacionada con la impedancia de sobretensión: cuanto mayor sea la impedancia, menor será la corriente. ^[70] Esta es la sobretensión que, la mayoría de las veces, resulta en la destrucción de dispositivos electrónicos delicados , electrodomésticos o motores eléctricos . Los dispositivos conocidos como protectores de sobretensión (SPD) o supresores de sobretensión transitoria (TVSS) conectados en paralelo con estas líneas pueden detectar la corriente irregular transitoria del rayo y, a través de la alteración de sus propiedades físicas, dirigir la punta a una toma de tierra adjunta , protegiendo así el equipo de daños.

Hay tres tipos principales de rayos que se definen según los puntos de "inicio" y "final" de un canal de relámpago.

• Los rayos intranube (IC) o dentro de las nubes ocurren dentro de una sola unidad de nubes de tormenta.
• Los rayos de nube a nube (CC) o entre nubes comienzan y terminan entre dos unidades de nubes de tormenta "funcionales" diferentes.
• Los rayos de nube a tierra (CG) se originan principalmente en la nube de tormenta y terminan en la superficie de la Tierra, pero también pueden ocurrir en dirección inversa, es decir, de tierra a nube.

Existen variaciones de cada tipo, como los relámpagos CG "positivos" y "negativos", que tienen diferentes características físicas comunes a cada uno y que pueden medirse. Los diferentes nombres comunes que se usan para describir un relámpago en particular pueden atribuirse al mismo o a diferentes eventos.

Los rayos de nube a tierra (CG) son descargas eléctricas entre una nube de tormenta y el suelo. Se inician con un rayo guía escalonado que desciende desde la nube y que es seguido por una corriente continua que asciende desde el suelo.

El rayo de gravedad es el menos común, pero el mejor comprendido de todos los tipos de rayos. Es más fácil de estudiar científicamente porque termina en un objeto físico, es decir, el suelo, y se presta a ser medido por instrumentos en el suelo. De los tres tipos principales de rayos, representa la mayor amenaza para la vida y la propiedad, ya que termina en el suelo o "cae".

La descarga general, denominada relámpago, se compone de una serie de procesos, como una ruptura preliminar, líderes escalonados, líderes de conexión, descargas de retorno, líderes de dardo y descargas de retorno posteriores. ^[71] La conductividad de la tierra eléctrica, ya sea suelo, agua dulce o agua salada , puede afectar la velocidad de descarga del rayo y, por lo tanto, las características visibles. ^[72]

Los rayos de nube a tierra (CG) pueden ser positivos o negativos, según la dirección de la corriente eléctrica convencional entre la nube y el suelo. La mayoría de los rayos CG son negativos, lo que significa que se transfiere una carga negativa al suelo y los electrones viajan hacia abajo a lo largo del canal del rayo (convencionalmente, la corriente fluye desde el suelo hasta la nube). Lo contrario ocurre en un rayo CG positivo, donde los electrones viajan hacia arriba a lo largo del canal del rayo y se transfiere una carga positiva al suelo (convencionalmente, la corriente fluye desde la nube hasta el suelo). Los rayos positivos son menos comunes que los negativos y, en promedio, representan menos del 5 % de todos los rayos. ^[73]

Se han teorizado seis mecanismos diferentes que dan lugar a la formación de rayos positivos. ^[74]

• La cizalladura vertical del viento desplaza la región de carga positiva superior de una nube de tormenta, exponiéndola al suelo debajo.
• La pérdida de regiones de menor carga en la etapa de disipación de una tormenta eléctrica, dejando la región de carga positiva primaria.
• Una disposición compleja de regiones de carga en una nube de tormenta, que da como resultado efectivamente un dipolo invertido o un tripolo invertido en el que la región de carga negativa principal está por encima de la región de carga positiva principal en lugar de debajo de ella.
• Una región de carga positiva inferior inusualmente grande en la nube de tormenta.
• Corte de un líder negativo extendido desde su origen que crea un nuevo líder bidireccional en el que el extremo positivo golpea el suelo, algo que se ve comúnmente en los destellos de araña de yunque-rastreador.
• El inicio de una rama positiva descendente a partir de un rayo IC.

Contrariamente a la creencia popular, los relámpagos positivos no necesariamente se originan en el yunque o en la región de carga positiva superior y caen sobre una zona libre de lluvia fuera de la tormenta eléctrica. Esta creencia se basa en la idea obsoleta de que los rayos guía son unipolares y se originan en su respectiva región de carga. ^{[ cita requerida ]}

Los rayos positivos tienden a ser mucho más intensos que sus contrapartes negativas. Un rayo negativo promedio transporta una corriente eléctrica de 30.000 amperios (30 kA), y transfiere 15 C ( culombios ) de carga eléctrica y 1 gigajulio de energía . Los rayos positivos grandes pueden transportar hasta 120 kA y 350 C. ^[75] El rayo a tierra positivo promedio tiene aproximadamente el doble de la corriente pico de un rayo negativo típico, y puede producir corrientes pico de hasta 400 kA y cargas de varios cientos de culombios. ^{[76] [77]} Además, los rayos a tierra positivos con altas corrientes pico suelen ir seguidos de corrientes continuas prolongadas, una correlación que no se observa en los rayos a tierra negativos. ^[78]

Como resultado de su mayor potencia, los rayos positivos son considerablemente más peligrosos que los negativos. Los rayos positivos producen corrientes de pico más altas y corrientes continuas más prolongadas, lo que los hace capaces de calentar superficies a niveles mucho más altos, lo que aumenta la probabilidad de que se inicie un incendio. Las grandes distancias que pueden propagarse a través del aire limpio explican por qué se los conoce como "rayos caídos del cielo", ya que no dan ninguna advertencia a los observadores.

A pesar de la idea errónea popular de que estos ^{[ aclaración necesaria ]} son ​​descargas de rayos positivos debido a que aparentemente se originan en la región de carga positiva, las observaciones han demostrado que, de hecho, son descargas negativas. Comienzan como descargas de IC dentro de la nube, luego el líder negativo sale de la nube desde la región de carga positiva antes de propagarse a través del aire limpio y golpear el suelo a cierta distancia. ^{[79] [80]}

También se ha demostrado que los rayos positivos desencadenan la aparición de destellos de rayos ascendentes desde las partes superiores de estructuras altas y son en gran medida responsables de la iniciación de sprites a varias decenas de kilómetros sobre el nivel del suelo. Los rayos positivos tienden a ocurrir con mayor frecuencia en tormentas de invierno , como con nevadas eléctricas , durante tornados intensos ^[81] y en la etapa de disipación de una tormenta eléctrica . ^[82] También se generan enormes cantidades de ondas de radio de frecuencia extremadamente baja (ELF) y de frecuencia muy baja (VLF) . ^[83]

Las descargas de rayos pueden producirse entre áreas de nubes sin tocar el suelo. Cuando se producen entre dos nubes separadas, se conocen como rayos de nube a nube (CC) o rayos internubes ; cuando se producen entre áreas de diferente potencial eléctrico dentro de una misma nube, se conocen como rayos intranube (IC). Los rayos IC son el tipo que se produce con más frecuencia. ^[82]

Los rayos IC ocurren más comúnmente entre la parte superior del yunque y la parte inferior de una tormenta eléctrica determinada. Estos rayos a veces se pueden observar a grandes distancias durante la noche como los llamados " rayos en lámina ". En tales casos, el observador puede ver solo un destello de luz sin escuchar ningún trueno.

Otro término utilizado para los relámpagos nube-nube o nube-nube-suelo es "rayo de yunque", debido al hábito de la carga, que normalmente se origina debajo o dentro del yunque y trepa por las capas superiores de nubes de una tormenta eléctrica, generando a menudo descargas dramáticas de múltiples ramificaciones. Estos suelen verse cuando una tormenta eléctrica pasa sobre el observador o comienza a decaer. El comportamiento de arrastre más vívido ocurre en tormentas eléctricas bien desarrolladas que presentan un gran cizallamiento del yunque trasero.

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  Ramificación de un rayo de nube a nube, Nueva Delhi , India.
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  Múltiples trayectorias de rayos de nube a nube, Swifts Creek , Australia.
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  Relámpagos intranubes sobre el mar Báltico .
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  Rayos de nube a nube, Albury , Australia

Los objetos alcanzados por un rayo experimentan calor y fuerzas magnéticas de gran magnitud. El calor creado por las corrientes de los rayos que viajan a través de un árbol puede vaporizar su savia, lo que provoca una explosión de vapor que hace estallar el tronco. A medida que el rayo viaja a través del suelo arenoso, el suelo que rodea el canal de plasma puede derretirse, formando estructuras tubulares llamadas fulguritas .

Los edificios o estructuras altas alcanzados por un rayo pueden sufrir daños, ya que el rayo busca caminos sin obstáculos hacia el suelo. Al conducir de forma segura el impacto de un rayo hacia el suelo, un sistema de protección contra rayos, que normalmente incorpora al menos un pararrayos , puede reducir en gran medida la probabilidad de daños materiales graves.

Los aviones son muy susceptibles a ser alcanzados por sus fuselajes metálicos, pero los rayos generalmente no son peligrosos para ellos. ^[84] Debido a las propiedades conductoras de la aleación de aluminio , el fuselaje actúa como una jaula de Faraday . Los aviones actuales están construidos para estar a salvo de un rayo y los pasajeros generalmente ni siquiera saben que ha sucedido.

Aunque el 90 por ciento de las personas alcanzadas por un rayo sobreviven, ^[85] los animales –incluidos los humanos– alcanzados por un rayo pueden sufrir lesiones graves debido a daños en los órganos internos y en el sistema nervioso.

Los rayos cumplen una función importante en el ciclo del nitrógeno al oxidar el nitrógeno diatómico del aire en nitratos que se depositan con la lluvia y pueden fertilizar el crecimiento de plantas y otros organismos. ^{[86] [87]}

Debido a que la descarga electrostática de un rayo terrestre sobrecalienta el aire hasta alcanzar temperaturas de plasma a lo largo del canal de descarga en un corto período de tiempo, la teoría cinética dicta que las moléculas gaseosas experimentan un rápido aumento de presión y, por lo tanto, se expanden hacia afuera del rayo creando una onda de choque audible como un trueno. Dado que las ondas sonoras no se propagan desde una única fuente puntual sino a lo largo de la trayectoria del rayo, las diferentes distancias del origen del sonido con respecto al observador pueden generar un efecto de retumbo o de balanceo. La percepción de las características sónicas se complica aún más por factores como la geometría irregular y posiblemente ramificada del canal del rayo, por el eco acústico del terreno y por la característica de impacto del rayo, que suele ser de múltiples descargas.

La luz viaja a unos 300.000.000 m/s (980.000.000 pies/s), y el sonido viaja a través del aire a unos 343 m/s (1.130 pies/s). Un observador puede aproximarse a la distancia del impacto cronometrando el intervalo entre el rayo visible y el trueno audible que genera. Un rayo que precede a su trueno en un segundo estaría aproximadamente a 343 m (1.125 pies) de distancia; un retraso de tres segundos indicaría una distancia de aproximadamente 1 km o 0,62 millas (3 × 343 m). Un rayo que precede al trueno en cinco segundos indicaría una distancia de aproximadamente 1,7 km o 1,1 millas (5 × 343 m). En consecuencia, un rayo observado a una distancia muy cercana estará acompañado de un trueno repentino, con un lapso de tiempo casi inperceptible, posiblemente acompañado por el olor a ozono (O ₃ ).

Los rayos a una distancia suficiente pueden verse y no oírse; hay datos que indican que una tormenta eléctrica puede verse a más de 160 km (100 mi) mientras que los truenos viajan a unos 32 km (20 mi). Como anécdota, hay muchos ejemplos de personas que dicen "la tormenta estaba directamente sobre nuestras cabezas o alrededor y, sin embargo, no hubo truenos". Dado que las nubes de tormenta pueden tener hasta 20 km de altura, ^[88] los rayos que ocurren en lo alto de la nube pueden parecer cercanos pero, en realidad, están demasiado lejos para producir truenos perceptibles.

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Las descargas de rayos generan pulsos de radiofrecuencia que pueden recibirse a miles de kilómetros de su fuente en forma de señales radioatmosférreas y silbidos.

La producción de rayos X por un rayo fue predicha ya en 1925 por CTR Wilson , ^[89] pero no se encontró evidencia hasta 2001/2002, ^{[90] [91] [92]} cuando investigadores del Instituto de Minería y Tecnología de Nuevo México detectaron emisiones de rayos X de un rayo inducido a lo largo de un cable de tierra arrastrado por un cohete disparado hacia una nube de tormenta. En el mismo año, investigadores de la Universidad de Florida y Florida Tech utilizaron una serie de detectores de rayos X y de campo eléctrico en una instalación de investigación de rayos en el norte de Florida para confirmar que los rayos naturales producen rayos X en grandes cantidades durante la propagación de líderes escalonados. La causa de las emisiones de rayos X todavía es un tema de investigación, ya que la temperatura del rayo es demasiado baja para explicar los rayos X observados. ^{[93] [94]}

Varias observaciones realizadas con telescopios espaciales han revelado emisiones de rayos gamma de energía aún más alta , los llamados destellos de rayos gamma terrestres (TGF). Estas observaciones plantean un desafío a las teorías actuales sobre los rayos, especialmente con el reciente descubrimiento de las claras firmas de antimateria producidas en los rayos. ^[95] Investigaciones recientes han demostrado que las especies secundarias producidas por estos TGF, como los electrones , positrones , neutrones o protones , pueden alcanzar energías de hasta varias decenas de MeV. ^{[96] [97]}

Las altísimas temperaturas generadas por los rayos provocan importantes aumentos locales de ozono y óxidos de nitrógeno . Cada rayo en las zonas templadas y subtropicales produce 7 kg de NO _x de media. ^[98] En la troposfera el efecto de los rayos puede aumentar el NO _x en un 90% y el ozono en un 30%. ^[99]

La actividad volcánica produce condiciones propicias para la aparición de rayos de múltiples maneras. La enorme cantidad de material pulverizado y gases expulsados ​​explosivamente a la atmósfera crea una densa columna de partículas. La densidad de cenizas y el movimiento constante dentro de la columna volcánica produce carga por interacciones de fricción (triboelectrificación), lo que da como resultado destellos muy potentes y muy frecuentes a medida que la nube intenta neutralizarse. Debido al extenso contenido de material sólido (cenizas), a diferencia de las zonas generadoras de carga ricas en agua de una nube de tormenta normal, a menudo se la llama tormenta sucia .

• Se han observado destellos potentes y frecuentes en la columna volcánica desde la erupción del Monte Vesubio en el año 79 d. C. por Plinio el Joven . ^[100]
• Asimismo, los vapores y cenizas que se originan en los respiraderos de los flancos del volcán pueden producir destellos más localizados y más pequeños, de hasta 2,9 km de longitud.
• Pequeñas chispas de corta duración , documentadas recientemente cerca del magma recién extruido, dan testimonio de que el material estaba altamente cargado incluso antes de entrar en la atmósfera. ^[101]

Si la columna de ceniza volcánica se eleva hasta temperaturas de congelación, se forman partículas de hielo que chocan con partículas de ceniza y provocan electrificación. Los rayos se pueden detectar en cualquier explosión, pero la electrificación adicional provocada por las partículas de hielo en las cenizas puede generar un campo eléctrico más fuerte y una mayor tasa de rayos detectables. Los rayos también se utilizan como herramienta de monitoreo de volcanes para detectar erupciones peligrosas. ^[102]

Los incendios forestales intensos, como los que se vieron en la temporada de incendios forestales de Australia de 2019-20 , pueden crear sus propios sistemas meteorológicos que pueden producir relámpagos y otros fenómenos meteorológicos. ^[103] El calor intenso de un incendio hace que el aire se eleve rápidamente dentro de la columna de humo, lo que provoca la formación de nubes pirocumulonimbus . El aire más frío es atraído por este aire turbulento y ascendente, lo que ayuda a enfriar la columna. La columna ascendente se enfría aún más por la menor presión atmosférica a gran altitud, lo que permite que la humedad que contiene se condense en nubes. Las nubes pirocumulonimbus se forman en una atmósfera inestable. Estos sistemas meteorológicos pueden producir relámpagos secos, tornados de fuego , vientos intensos y granizo sucio. ^[103]

Se han observado relámpagos en las atmósferas de otros planetas , como Júpiter , Saturno ^[104] y probablemente Urano y Neptuno ^[104] . Los relámpagos en Júpiter son mucho más energéticos que en la Tierra , a pesar de que parecen generarse a través del mismo mecanismo. Recientemente, se detectó un nuevo tipo de relámpago en Júpiter, que se cree que se origina a partir de "bolas de hongo" que incluyen amoníaco ^[105] . En Saturno, los relámpagos, inicialmente denominados "descarga electrostática de Saturno", fueron descubiertos por la misión Voyager 1 ^{[104] .}

Los relámpagos en Venus han sido un tema controvertido después de décadas de estudio. Durante las misiones soviéticas Venera y estadounidense Pioneer de los años 1970 y 1980, se detectaron señales que sugerían la presencia de relámpagos en la atmósfera superior. ^[106] El breve sobrevuelo de Venus de la misión Cassini-Huygens en 1999 no detectó señales de relámpagos, pero los pulsos de radio registrados por la nave espacial Venus Express (que comenzó a orbitar Venus en abril de 2006) pueden tener su origen en relámpagos en Venus. ^[107]

• También se ha observado que las estelas de condensación de los aviones influyen en los rayos en un pequeño grado. Las estelas de condensación densas en vapor de agua de los aviones pueden proporcionar una vía de menor resistencia a través de la atmósfera, lo que tiene cierta influencia en el establecimiento de una vía iónica para que siga el relámpago. ^[108]
• Las columnas de humo del cohete proporcionaron una vía para los rayos cuando fueron vistos impactando el cohete Apolo 12 poco después del despegue.
• Se ha observado que las explosiones termonucleares , al proporcionar material adicional para la conducción eléctrica y una atmósfera localizada muy turbulenta, desencadenan relámpagos dentro de la nube en forma de hongo. Además, la intensa radiación gamma de las grandes explosiones nucleares puede desarrollar regiones intensamente cargadas en el aire circundante a través de la dispersión Compton . Las regiones de carga espacial intensamente cargadas crean múltiples descargas de relámpagos en el aire despejado poco después de que el dispositivo detone. ^[109]

La ciencia que estudia los rayos se llama fulminología .

Los rayos provocan truenos , un sonido que se origina a partir de la onda expansiva y que se desarrolla en forma de gases en las proximidades de la descarga que se calientan repentinamente hasta alcanzar temperaturas muy altas. A menudo se escucha unos segundos después del rayo. ^[110] Los truenos se escuchan como un estruendo continuo que se disipa gradualmente porque el sonido de diferentes partes de un largo rayo llega en momentos ligeramente diferentes. ^[111]

Cuando el campo eléctrico local excede la rigidez dieléctrica del aire húmedo (aproximadamente 3 MV/m), la descarga eléctrica produce un rayo , a menudo seguido de descargas proporcionales que se ramifican desde el mismo camino. Los mecanismos que hacen que las cargas se acumulen hasta convertirse en un rayo todavía son un tema de investigación científica. ^{[112] [113]} Un estudio de 2016 confirmó que está involucrada una ruptura dieléctrica. ^[114] Los rayos pueden ser causados ​​por la circulación de aire cálido lleno de humedad a través de campos eléctricos . ^[115] Las partículas de hielo o agua luego acumulan carga como en un generador de Van de Graaff . ^[116]

Investigadores de la Universidad de Florida descubrieron que las velocidades unidimensionales finales de 10 destellos observados estaban entre 1,0 × 10⁵ y 1,4 × 10⁶ m/s, con un promedio de 4,4 × 10⁵ m/s. ^[117]

El primer detector inventado para advertir de la proximidad de una tormenta eléctrica fue la campana eléctrica . Benjamin Franklin instaló uno de estos dispositivos en su casa. ^{[118] [119]} El detector se basaba en un dispositivo electrostático llamado "campanilla eléctrica" ​​inventado por Andrew Gordon en 1742.

Las descargas de rayos generan una amplia gama de radiaciones electromagnéticas, incluidos pulsos de radiofrecuencia. Los momentos en que un pulso de una descarga de rayos determinada llega a varios receptores se pueden utilizar para localizar la fuente de la descarga con una precisión del orden de metros. El gobierno federal de los Estados Unidos ha construido una red nacional de detectores de rayos de este tipo, lo que permite rastrear las descargas de rayos en tiempo real en todo el territorio continental de los Estados Unidos ^{[120] [121]}

Además, Blitzortung (un sistema de detección global privado que consta de más de 500 estaciones de detección propiedad de aficionados y voluntarios y operadas por ellos) proporciona mapas de rayos casi en tiempo real en [1].

La guía de ondas Tierra-ionosfera atrapa las ondas electromagnéticas VLF y ELF . Los pulsos electromagnéticos transmitidos por los rayos se propagan dentro de esa guía de ondas. La guía de ondas es dispersiva, lo que significa que su velocidad de grupo depende de la frecuencia. La diferencia del retardo de tiempo de grupo de un pulso de rayo en frecuencias adyacentes es proporcional a la distancia entre el transmisor y el receptor. Junto con los métodos de radiogoniometría, esto permite localizar rayos a distancias de hasta 10.000 km de su origen. Además, las frecuencias propias de la guía de ondas Tierra-ionosfera, las resonancias de Schumann a unos 7,5 Hz, se utilizan para determinar la actividad de tormentas eléctricas globales. ^[122]

Además de la detección de rayos desde tierra, se han construido varios instrumentos a bordo de satélites para observar la distribución de los rayos. Entre ellos se incluyen el detector óptico de transitorios (OTD), a bordo del satélite OrbView-1, lanzado el 3 de abril de 1995, y el posterior sensor de imágenes de rayos (LIS) a bordo del TRMM , lanzado el 28 de noviembre de 1997. ^{[123] [124] [125]}

A partir de 2016, la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica lanzó los satélites meteorológicos Geostationary Operational Environmental Satellite–R Series (GOES-R) equipados con instrumentos Geostationary Lightning Mapper (GLM), que son detectores ópticos transitorios de infrarrojo cercano que pueden detectar los cambios momentáneos en una escena óptica, lo que indica la presencia de rayos. ^{[126] [127]} Los datos de detección de rayos se pueden convertir en un mapa en tiempo real de la actividad de rayos en todo el hemisferio occidental; esta técnica de mapeo ha sido implementada por el Servicio Meteorológico Nacional de los Estados Unidos . ^[128]

En 2022, EUMETSAT tiene previsto lanzar el generador de imágenes de relámpagos (MTG-I LI) a bordo del Meteosat de tercera generación . Este complementará el GLM de la NOAA. El MTG-I LI cubrirá Europa y África e incluirá productos sobre eventos, grupos y relámpagos. ^[129]

• Los rayos disparados por cohetes se pueden "provocar" lanzando cohetes especialmente diseñados que arrastran bobinas de alambre hacia las tormentas eléctricas. El alambre se desenrolla a medida que el cohete asciende, creando un terreno elevado que puede atraer a los líderes que descienden. Si un líder se adhiere, el alambre proporciona una vía de baja resistencia para que se produzca un destello de relámpago. El alambre se vaporiza por el flujo de corriente de retorno, creando un canal de plasma de rayo recto en su lugar. Este método permite que la investigación científica de los rayos se realice de una manera más controlada y predecible. ^[130]

  El Centro Internacional de Investigación y Pruebas de Relámpagos (ICLRT) en Camp Blanding, Florida, generalmente utiliza rayos desencadenados por cohetes en sus estudios de investigación.

• Activado por láser

  Desde la década de 1970, ^[131] los investigadores han intentado provocar rayos mediante láseres infrarrojos o ultravioleta, que crean un canal de gas ionizado a través del cual el rayo sería conducido a tierra. Este tipo de activación de rayos tiene como objetivo proteger plataformas de lanzamiento de cohetes, instalaciones de energía eléctrica y otros objetivos sensibles. ^{[132] [133] [134] [135] [136]}

  En Nuevo México, Estados Unidos, los científicos probaron un nuevo láser de teravatios que provocaba rayos. Los científicos dispararon pulsos ultrarrápidos desde un láser extremadamente potente, enviando así varios teravatios a las nubes para provocar descargas eléctricas en las nubes de tormenta sobre la región. Los rayos láser enviados desde el láser crean canales de moléculas ionizadas conocidas como filamentos . Antes de que el rayo caiga sobre la Tierra, los filamentos conducen la electricidad a través de las nubes, desempeñando el papel de pararrayos. Los investigadores generaron filamentos que vivieron un período demasiado corto para desencadenar un verdadero rayo. Sin embargo, se registró un aumento de la actividad eléctrica dentro de las nubes. Según los científicos franceses y alemanes que llevaron a cabo el experimento, los pulsos rápidos enviados desde el láser podrán provocar rayos a demanda. ^[137] El análisis estadístico mostró que sus pulsos láser de hecho mejoraron la actividad eléctrica en la nube de tormenta hacia donde se dirigía; de hecho, generaron pequeñas descargas locales ubicadas en la posición de los canales de plasma . ^[138]

El movimiento de cargas eléctricas produce un campo magnético (ver electromagnetismo ). Las intensas corrientes de una descarga de rayo crean un campo magnético fugaz pero muy fuerte. Cuando la corriente del rayo atraviesa rocas, suelo o metal, estos materiales pueden magnetizarse permanentemente. Este efecto se conoce como magnetismo remanente inducido por rayos o LIRM. Estas corrientes siguen el camino menos resistivo, a menudo horizontalmente cerca de la superficie ^{[139] [140]} pero a veces verticalmente, donde las fallas, los yacimientos minerales o el agua subterránea ofrecen un camino menos resistivo. ^[141] Una teoría sugiere que las piedras imán , imanes naturales encontrados en la antigüedad, se crearon de esta manera. ^[142]

Las anomalías magnéticas inducidas por rayos se pueden mapear en el suelo, ^{[143] [144]} y el análisis de materiales magnetizados puede confirmar que el rayo fue la fuente de la magnetización ^[145] y proporcionar una estimación de la corriente máxima de la descarga del rayo. ^[146]

Una investigación de la Universidad de Innsbruck ha calculado que los campos magnéticos generados por plasma pueden inducir alucinaciones en sujetos ubicados a 200 m (660 pies) de una tormenta eléctrica severa, como lo que sucedió en la estimulación magnética transcraneal (EMT). ^[147]

Algunos rayos cósmicos de alta energía producidos por supernovas, así como partículas solares del viento solar, ingresan a la atmósfera y electrifican el aire, lo que puede crear vías para los rayos. ^[148]

Debido a la baja resolución de los modelos climáticos globales, es difícil representar con precisión los rayos en estos modelos climáticos, en gran medida debido a su incapacidad para simular la convección y el hielo en las nubes, fundamentales para la formación de los rayos. Las investigaciones del programa Future Climate for Africa demuestran que el uso de un modelo que permita la convección en África puede capturar con mayor precisión las tormentas eléctricas convectivas y la distribución de partículas de hielo. Estas investigaciones indican que el cambio climático puede aumentar la cantidad total de rayos solo ligeramente: el número total de días con rayos por año disminuye, mientras que más hielo en las nubes y una convección más fuerte conducen a que se produzcan más rayos en los días en que sí se producen. ^[149]

Un estudio de la Universidad de Washington analizó la actividad de rayos en el Ártico entre 2010 y 2020. Se comparó la proporción de rayos en verano en el Ártico con el total de rayos a nivel mundial y se observó que aumentaba con el tiempo, lo que indica que la región está cada vez más influenciada por los rayos. Se descubrió que la fracción de rayos por encima de los 65 grados norte aumentaba linealmente con la anomalía de temperatura global de la NOAA y se triplicó a medida que la anomalía aumentaba de 0,65 a 0,95 °C ^[150].

En muchas culturas, el rayo ha sido visto como un signo o parte de una deidad o una deidad en sí misma. Estos incluyen al dios griego Zeus , el dios azteca Tláloc , el dios maya K , Perun de la mitología eslava , el Pērkons / Perkūnas báltico , Thor en la mitología nórdica , Ukko en la mitología finlandesa , el dios hindú Indra , el dios yoruba Sango , Illapa en la mitología inca y el dios sintoísta Raijin . ^[155] Los antiguos etruscos produjeron guías para la adivinación brontoscópica y fulgural del futuro basadas en los presagios supuestamente mostrados por truenos o relámpagos que ocurren en días particulares del año o en lugares particulares. ^{[156] [157]} Tal uso de truenos y relámpagos en la adivinación también se conoce como ceraunoscopia , ^[158] una especie de aeromancia . En la religión tradicional de las tribus bantúes africanas , el rayo es un signo de la ira de los dioses. Las escrituras del judaísmo , el islam y el cristianismo también atribuyen importancia sobrenatural al relámpago . En el cristianismo , la segunda venida de Jesús se compara con un relámpago. ^[159]

Aunque a veces se utiliza en sentido figurado, la idea de que los rayos nunca caen dos veces en el mismo lugar es un mito común. De hecho, los rayos pueden caer en el mismo lugar más de una vez, y a menudo lo hacen. Es más probable que los rayos en una tormenta eléctrica caigan en objetos y puntos que sean más prominentes o conductores. Por ejemplo, los rayos caen en el Empire State Building en la ciudad de Nueva York una media de 23 veces al año. ^{[160] [161] [162]}

En francés e italiano, la expresión para "amor a primera vista" es coup de foudre y colpo di fulmine , respectivamente, que traducidas literalmente significan "golpe de rayo". Algunos idiomas europeos tienen una palabra separada para el rayo que cae al suelo (a diferencia del rayo en general); a menudo es un cognado de la palabra inglesa "rays". El nombre del caballo pura sangre más famoso de Australia , Phar Lap , deriva de la palabra compartida en zhuang y tailandés para rayo. ^[163]

El rayo en heráldica se llama rayo y se representa en forma de zigzag sin puntas. Este símbolo suele representar poder y velocidad.

Algunos partidos políticos utilizan relámpagos como símbolo de poder, como el Partido de Acción Popular en Singapur , la Unión Británica de Fascistas durante la década de 1930 y el Partido de los Derechos de los Estados Nacionales en los Estados Unidos durante la década de 1950. ^[164] La Schutzstaffel , el ala paramilitar del Partido Nazi , utilizó la runa Sig en su logotipo que simboliza el rayo. La palabra alemana Blitzkrieg , que significa "guerra relámpago", fue una importante estrategia ofensiva del ejército alemán durante la Segunda Guerra Mundial.

El rayo es una insignia común en las unidades de comunicaciones militares de todo el mundo. El rayo también es el símbolo de la OTAN para un medio de comunicación .

El impacto directo de un rayo más mortal ocurrió cuando 21 personas murieron mientras se acurrucaban para protegerse en una choza que fue alcanzada (1975, Rhodesia). ^[47]

El rayo indirecto más mortal fue el de Dronka en 1994. 469 personas murieron cuando un rayo cayó sobre un conjunto de tanques de petróleo en 1994, provocando que el petróleo en llamas inundara una ciudad (1994, Dronka, Egipto). ^[47]

En Estados Unidos, un promedio de 23 personas murieron a causa de un rayo por año entre 2012 y 2021. ^[165]

• Rakov, Vladimir A.; Uman, Martin A. (2003). Relámpagos: física y efectos. Cambridge, Inglaterra: Cambridge University Press. ISBN 978-0521583275.
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• "Relámpago"  . Encyclopædia Britannica . Vol. 16 (11.ª ed.). 1911. pág. 673.
• Red mundial de localización de rayos
• Conferencia de Feynman sobre los rayos