Evolución de la nube de tormenta y establecimiento del rayo

Para comprender mejor el funcionamiento y lograr un
diseño más eficiente de un sistema de
protección contra el rayo se necesita hacer un repaso de
procesos físicos relativos a este fenómeno natural:
desde la formación y desarrollo de la nube de tormenta
hasta el establecimiento del rayo.

Proceso de
desarrollo de la nube de tormenta:

Una tormenta tiene un tiempo de formación entre
media y dos horas. Haciendo un análisis temporal, este
proceso puede dividirse en tres fases:

1º. Formación de la nube de tormenta. Cuando
se encuentran dos masas de aire con temperatura e
hidrometría diferentes, existen las condiciones favorables
para el nacimiento de tormenta. La masa de aire húmedo que
se encuentra a nivel del terreno es calentada por la
irradiación solar intensa. Este aire se vuelve menos denso
y asciende hasta llegar a las capas de la atmósfera de su
misma densidad que en la región más alta se
caracteriza por la presencia de capas de aire frío.
Durante la ascensión, esta masa de aire se enfría,
condensa y produce vapor de agua, liberando el calor latente que
mantiene la temperatura interna de la nube por encima de la del
ambiente exterior (dando lugar a la actividad de
convección de la tormenta). La presión y la
temperatura en su interior son tales que el movimiento vertical
del aire se hace mantenido. La velocidad de ascenso de la nube
aumenta y su dimensión en la dirección vertical
crece hasta que toda la masa se encuentra en desequilibrio
térmico con el aire que la rodea.

2º. Maduración de la nube. Proceso en el
cual se expande hasta alcanzar una altura desde su centro entre 9
y 20 km, de acuerdo con la latitud del lugar, y un
diámetro de 5 – 10 km. Este movimiento de ascensión
culmina cuando la masa de aire llega a las capas bajas de la
estratosfera, donde se encuentra con fuertes vientos corren en
otras direcciones y la nube toma forma de yunque de
herrería, conocida como "cúmulo-nimbos". Cuando el
aire ascendente llega a la zona de granizo y comienzan a formarse
gotas de agua. Estas no caen inmediatamente al suelo, debido a
que las ráfagas de aire de unos 120 km/h las sostienen,
sino que crecen hasta alcanzar un tamaño tal que las
corrientes verticales ya no pueden sostenerlas,
produciéndose entonces las precipitaciones. Para que la
nube sea capaz de generar descargas eléctricas es
necesario que alcance una profundidad de 3-4 km.

3º. Disipación de la nube. La
precipitación genera ráfagas descendentes de aire
frío que van envolviendo a la célula tormentosa,
dando lugar a la disipación cuando esta pierde la humedad
que contenía, por lo que no cesa la transferencia de calor
latente hacia su alrededor, disminuye la temperatura y no se
producen las corrientes ascendentes ni a la formación de
agua e hielo.

Véase ahora el proceso electrostático que
ocurre en la nube de tormenta:

? Electrificación de la nube de
tormenta:

Para que el rayo ocurra, se requiere que la nube
esté electrificada. La electrificación ocurre como
resultado de la formación dentro su seno de regiones de
carga eléctrica de signos opuestos. Los factores
principales para la ocurrencia de la separación de cargas
electrostáticas son la presencia simultánea de
partículas pesadas y ligeras y la fuerza de los vientos
ascendentes (cuya velocidad puede superar los 25 m/s). En las
zonas de fuertes turbulencias, las partículas chocan entre
sí. Las colisiones entre los cristales de hielo (entre -30
y -40º C), que adquieren carga positiva, y las
partículas más calientes de granizo blando (entre
-10 y – 20 º C), que adoptan carga negativa. Las cargas
positivas más ligeras se desplazan a mayores altitudes y
las cargas negativas más pesadas se mantienen en la base
de la nube. Por esta razón más del 90% de las
descargas de nube a tierra son de tipo negativa. Esta
electrificación es relativamente rápida; una nube
pasa del estado neutro al de electrificado en sólo unos
pocos minutos. Desde el punto de vista electrostático la
nube se comporta como un dipolo vertical en el cual la parte
superior, tiene carga positiva (de decenas a centenas de Coulomb)
y la inferior adquiere carga negativa (del mismo orden de
magnitud).

Fig. 1 Distribución probable
de cargas en la nube de tormenta, de acuerdo a Malan

Mientras se está generando la carga en la base de
nube, el campo electrostático induce una carga en la
superficie del terreno debajo de ésta de igual potencial
pero de signo opuesto. Es muy probable que la sombra
eléctrica tenga la misma forma y tamaño que la nube
y se desplace junto con esta.

?
Elevación del campo eléctrico:

El campo eléctrico vertical inducido en la
superficie del terreno pasa desde el valor de buen
tiempo (-120 V/m), antes de que la nube de tormenta se
presente, hasta valores de 10 á 20 kV/m, cuando
está totalmente electrificada. El valor del campo
eléctrico en el aire decrece exponencialmente con la
altura, mientras que el potencial con relación a tierra
crece hasta una altura de aproximadamente 50 Km, donde se hace
constante y mantiene esta zona inferior de la ionosfera
(electrosfera) a un potencial de unos 300 kV. Con ello, el
conjunto ionosfera – tierra se asemeja a un condensador
esférico, donde la superficie de la tierra tiene una carga
negativa de 1 MC, la ionosfera una carga positiva de igual valor
y la capa de aire hace de dieléctrico.

Fig. 2 Condensador
eléctrico terrestre

La densidad de corriente eléctrica en la
atmósfera es alrededor de 10 &µA/m2 en la
dirección paralela a la tierra. Ésta es producida
por el campo eléctrico y, dado que el aire es conductor,
esta corriente pasa de la atmósfera a la
tierra.

La conductividad de la atmósfera se debe a la
existencia de iones que se desplazan en el campo. Esta
ionización por unidad de volumen, que aumenta con la
altitud, es producida fundamentalmente por rayos cósmicos,
pero también por adopción de carga de las
partículas de polvo que flotan en el aire y los cristales
de sales debido al choque de olas marinas. Por lo tanto, la
conductividad del aire es variable y en consecuencia
también varía su potencial.

Este proceso transcurre en unos 7 minutos como promedio,
habiendo una corriente de fuga alrededor de 1350 A. Si
sólo existiera esta corriente, la tierra se
descargaría aproximadamente en media hora. Como el valor
del campo es permanente, tiene que existir un mecanismo de carga
que compense dicha fuga. Esta compensación se produce
mediante unas 1000 á 2000 tormentas diarias, con
corrientes tierra – ionosfera de 0,5 a 1 A, que de manera
continua, aportan una corriente total entre 500 a
2000 A. Por tanto, las nubes de tormentas constituyen los
generadores que aportan la carga negativa a la
tierra para de este modo mantener la diferencia de potencial
entre la ionosfera y la tierra.

Fig. 3 Circuito eléctrico
global

? Formación de los líderes de
paso:

Cuando el campo eléctrico desarrollado excede
cierto valor comienza la ionización. Esta
ionización local puede posteriormente convertirse en un
líder descendente o intra-nube.

Al alcanzar el potencial en la nube aproximadamente unos
100 MV, se forman chispas de baja intensidad que se mueven hacia
la tierra con arranques y paradas sucesivos, o sea, en forma de
"líderes de pasos". La velocidad de movimiento de estos
líderes está entre 1.105 y 3.106 m/s y la
duración de las paradas es de 20-50 ms. Este líder
descendente comienza en una determinada región de la nube
cargada negativamente y se dirige hacia tierra, depositando las
cargas negativas en el aire que rodea su canal. (La carga del
líder descendente puede ser positiva, pero esto no afecta
su comportamiento en términos de
atracción).

? Aproximación del líder
descendente:

En la medida que cada líder se aproxima a la
tierra, el campo eléctrico entre ambos se eleva
rápidamente y la tensión entre el extremo de ese
líder y la superficie del terreno va generando una
acumulación de cargas espaciales de signo opuesto en el
entorno cercano a los objetos en el terreno. La intensidad y
velocidad de crecimiento del campo depende de la magnitud de la
carga que es dirigida a la tierra por el líder descendente
y la velocidad de descenso de su extremo.

El movimiento de la cargas hacia la tierra provoca un
incremento exponencial de la intensidad de campo en las
protuberancias sobre la misma. O sea, el cambio inicial de la
intensidad de campo eléctrico en la tierra cuando el
líder está a una gran altitud es muy
pequeño, pero cuando la aproximación es grande,
estos valores aumentan a razón de 109 V/(m.s).

Para una velocidad promedio del líder descendente
negativo de 0,5.106 m/s y una altura de la nube de 2 km, el
tiempo requerido por el campo eléctrico en la punta a
tierra en crecer desde prácticamente cero hasta el
instante de la posible intercepción, puede
ser de 500 &µs. Realmente, la velocidad de un
líder descendente disminuye de modo
progresivo en la medida que su extremo se va aproximando a
tierra.

? Descarga corona:

En cuestión de unos pocos milisegundos, la
tensión electrostática va desde unos cientos de
miles de V hasta más de un millón de V (el campo
alcanza unos 10 kV/m). Cuando la intensidad de campo
eléctrico alcanza el valor crítico provoca una
irrupción de iones en avalancha de los objetos en la
tierra, llamada descarga corona. La antelación con que lo
hagan depende de la altura y forma geométrica de dichos
objetos.

? Emisión del líder
ascendente:

Inmediatamente después se produce la
emisión de trazadores ascendentes, o sea, la
ascensión de iones a una velocidad típica de 1 m/s
y se crean no linealidades del campo eléctrico hasta
alturas de varios cientos de metros. Esto sucede cuando el
extremo inferior del líder descendente está entre
100 y 300 m del terreno o de los objetos enclavados en este.
Pueden emitirse varios líderes ascendentes, pero
usualmente sólo uno logra alcanzar al líder
descendente.

?
Propagación continua del líder
ascendente:

Desde el punto de vista físico, para que un
trazador ascendente continúe su progreso hacia el extremo
del líder descendente tiene que ser capaz de obtener la
energía suficiente del campo eléctrico para
hacerlo. La condición para obtener dicha energía
está directamente relacionada con el campo promedio entre
el extremo del líder descendente y la punta que emite el
trazador ascendente.

Finalmente, a la distancia de un paso de la tierra se
establece una "zona de impacto" que es un espacio ficticio de
forma semiesférica con radio igual a una longitud de paso
y que contiene a los puntos con igual probabilidad de
terminación del rayo. Como los edificios y estructuras
acortan la distancia de aire entre la nube de tormenta y la
tierra, son preferentemente impactados por el rayo.

Se han realizado múltiples investigaciones con la
finalidad de conocer con mayor precisión el lugar de
terminación de líder de paso. Parece ser que este
es una función de dos factores definibles:

El Punto de Discriminación es
posición espacial ocupada por el extremo inferior del
líder descendente que determina el punto de impacto y, por
tanto, la trayectoria del primer líder ascendente va a su
encuentro. Es también el punto de inicio del último
paso. Por tanto, el punto de discriminación está a
un paso completo de la tierra y a esta distancia se le llama
"distancia de impacto".

La Distancia de Impacto es la longitud de la
trayectoria entre el punto de discriminación y cualquier
terminación potencial de impacto. Puede considerarse
también como la máxima distancia horizontal entre
el extremo del líder y la terminación de impacto.
La distancia de impacto y la longitud del paso son
aproximadamente del mismo valor. Ambas son cantidades
estadísticas que dependen de la intensidad del impacto del
rayo resultante. Nótese que estos pasos y las distancias
de impacto, varían de aproximadamente de 10 hasta
más de 200 m. La longitud promedio para el impacto
negativo, que es el más común, es de unos
20 m. Para un impacto negativo, esta distancia excede los
45 m de longitud.

Fig. 4 Relación entre el
punto de discriminación y la distancia de
impacto

Después que el líder alcanza el punto de
discriminación, ya está determinado el punto de
impacto. Antes de este momento, la trayectoria es aleatoria e
irrelevante. Por lo tanto, solamente están en riesgo los
objetos que se encuentran dentro de la zona de impacto. Una torre
puede estar justo fuera de la zona de impacto y no recibirlo,
mientras una brizna dentro de ésta puede ser impactada.
Este fenómeno ha sido observado en tormentas.

La única excepción posible a la regla del
punto de discriminación sucede cuando el canal del
líder pasa muy cerca de una estructura alta que tiene
discontinuidades agudas. La proximidad de un campo
eléctrico elevado a una estructura puede provocar que el
potencial de esta se eleve lo suficiente como para estimular a
que ese punto agudo pase al modo trazador. Entonces este puede
"extender el brazo", hacer que el líder cambie bruscamente
su trayectoria y capturarlo.

En el proceso de establecimiento del rayo es
crítica la relación entre las velocidades de los
líderes ascendente y descendente que van al encuentro.
Esto quiere decir que un líder descendente rápido
puede ganarle trayecto a un líder ascendente lento y
reducir significativamente la capacidad de intercepción
del punto que lanza dicho líder ascendente. Por lo tanto,
una vez que comienza la propagación la relación
entre las velocidades de los líderes establece el
intervalo efectivo de captura. Un líder competitivo puede
lograr la intercepción si se encuentra dentro de un
intervalo de igual probabilidad cuya magnitud está
determinada por esta relación de velocidades.

Además de los factores anteriormente citados,
existen otros relacionados con las intensidades mínimas de
campo eléctrico necesarias para provocar la ruptura del
aire y para aportar la energía suficiente que asegure la
propagación del líder ascendente. Normalmente estos
valores son de 3 MV/m y 500 kV/m, respectivamente. El rayo ocurre
cuando se excede la rigidez dieléctrica del aire y, por
consiguiente, éste no puede actuar más como
aislador.

Proceso de
establecimiento del rayo

La neutralización de cargas es el flujo de
electrones de un cuerpo eléctricamente cargado a otro, tal
que se anule diferencia de potencial existente entre estos. En
esta fase se transporta gran cantidad de carga en un tiempo muy
pequeño y la energía electrostática se
transforma en energía electromagnética.

Tanto las descargas de entre nubes como las entre nube y
tierra producen la neutralización de cargas: en un caso,
entre los centros de carga positivos y negativos de nubes
distintas y, en el otro, entre los de la nube y del
terreno.

En las descargas entre nube y tierra puede distinguirse
cuatro tipos: las descendentes (de nube a tierra) y las
ascendentes (de tierra a nube), atendiendo a la dirección
del movimiento de las cargas entre estas así como las
positivas y las negativas, en función de la polaridad del
líder que inicia la descarga. Esta clasificación
fue establecida por Berger en 1978.

En el caso de las descargas descendentes, el
líder de descarga que se dirige hacia tierra guía
la descarga del rayo desde la nube a la tierra. Este tipo de
descarga comúnmente ocurre en terrenos planos y sobre
edificios y estructuras de poca altura. Pueden
reconocerse por su forma ramificada dirigida hacia la tierra.
Dentro de este tipo, la más común es la descarga
negativa. Las descargas ascendentes generalmente ocurren en
objetos expuestos de gran altura (por ejemplo: torres de
telecomunicaciones o en la cima de montañas). Pueden
reconocerse por su forma ramificada dirigida hacia la nube.
Pueden ser tanto de polaridad positiva como negativa.

Fig. 5 Los cuatro tipos de descarga
entre nube y tierra

El rayo o proceso de neutralización de cargas
puede dividirse en tres componentes temporales, que
son:

a) Primera descarga rápida ("first
return stroke"): Ocurre cuando se unen los
líderes descendentes y ascendentes, transportando
gran cantidad de carga en el canal en un tiempo muy
pequeño (corriente transitoria de alta intensidad de
cresta y de corta duración) que da lugar a
fenómenos electrodinámicos y de acoplamiento en las
instalaciones eléctricas.

Después de esta se producen los líderes
dardos ("dart leader") que llevan menor carga que los
líderes de paso y originan a las descargas rápidas
subsiguientes. Deben su nombre a que se presentan como secciones
luminosas del canal con longitudes de algunas decenas de metros
que se propagan hacia la tierra, generalmente sin
ramificaciones.

b) Descargas rápidas subsiguientes
("subsequent return strokes"): Descargas de retorno
de intensidad más baja que la primera, pero con frentes
abruptos que dan lugar a los efectos electromagnéticos
mayores. Ocurren unas 4 como promedio. Para el ojo humano todo
sucede tan rápido que lo que se observa es un
parpadeo.

c) Descarga de larga duración ("continuing
current"): Corriente continua con intensidades de 200 – 400 A
durante un tiempo del orden 0,5-1 s, que sigue a la primera
descarga de rápida y da lugar a los efectos
térmicos más importantes del rayo.

Fig. 6 Representación
temporal de una descarga de rayo

A continuación se muestran las
posibles componentes temporales de las descargas descendentes y
ascendentes.

Fig. 7 Posibles componentes de las
descargas descendentes

Fig. 8 Posibles componentes de las
descargas ascendentes

Tabla 1 Distribución de los
parámetros principales de las descarga de nube a
tierra

La tabla muestra la distribución
estadística los parámetros del rayo. El
parámetro de Corriente de la primera descarga se utiliza
para la determinación de los niveles de protección
contra rayo. Los niveles de protección relacionados con la
corriente pico de la descarga, I, y la correspondiente
carga del líder, Q, se derivan de la siguiente
ecuación:

I = 10.6 Q0.7

donde I está en kA y Q en C.
Una descarga con una corriente pico de 5 KA
corresponde a una carga del líder de aproximadamente
0,5 C.

Física de la captura

Para lograr la captura de una descarga de rayo que se
aproxima, tiene que haber alguna forma de atracción entre
el captador y el líder de la descarga. Repasando la
física del proceso de descarga y el mecanismo de la
terminación, es obvio que hay dos fuerzas atractivas que
influirán en la trayectoria del líder del rayo.
Éstas son:

1. La fuerza de atracción de cargas distintas,
definida por la Ley de Coulomb.

2. La diferencia de potencial creada por el campo
electrostático que precede al líder del rayo cuando
se aproxima a la tierra.

Ley de Coulomb. Esta ley fundamental de
la electrostática plantea que la fuerza de
interacción entre cuerpos cargados es directamente
proporcional al producto de las cargas eléctricas dichos
de cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia entre ellos.

Si la distancia entre los cuerpos es mucho mayor que sus
dimensiones, ni su forma ni su tamaño intervienen de forma
notoria en la fuerza de interacción, pero sí
depende de las propiedades del medio que hay entre ellos. Los
resultados experimentales demuestran que el aire es un medio que
influye muy poco en estas interacciones, por lo puede
considerarse que los cuerpos cargados interactúan como si
estuvieran en el vacío.

donde: Q1 es la carga del líder,
[C]

Q2 es la carga del captador, [C]

d es la distancia entre los dos centros de
carga, [m]

e0 es la constante dieléctrica del
vacío:

Se sabe que "las cargas distintas se atraen." El
líder que se aproxima usualmente es negativo y tanto la
tierra bajo este como todos objetos que descansan en ella se
cargan positivamente.

De acuerdo con Uman, la magnitud promedio de la carga
contenida en un trazador que se eleva desde el terreno o un
objeto en este es de aproximadamente 10-4
C. Esta carga es independiente de la fuente que emite el
trazador ascendente, por tanto es representativa de la producida
por cualquier tipo captador.

La carga contenida en un líder de rayo que se
aproxima puede llegar hasta 5 C. Sin embargo, como la carga
efectiva en esa región del líder influirá en
la carga del terreno u objetos conectados a tierra, puede
asumirse aproximadamente como 1 C. El valor absoluto no es
importante cuando se hace un análisis comparativo de los
captadores potenciales en una situación competitiva ya que
en la zona de impacto potencial todos son influidos por la misma
carga.

Campos electrostáticos

Después de varias décadas de trabajo en
pruebas de laboratorio y de campo, se logró desarrollar la
ecuación de la zona de captura teórica de un
captador convencional simple basada en la distancia de impacto
ds que mejor se ajusta al método
electrogeométrico. Esta es:

Una forma más sencilla de esta
ecuación es:

d = 10.I
0,65

donde: I = corriente pico del rayo (kA), en
el impacto de retorno resultante.

Intercepción de impacto de rayo por un
captador

La función del captador de un sistema de
protección contra rayo es asegurar una alta probabilidad
de que se origine el líder exitoso para interceptar la
descarga de rayo que, de lo contrario, pudiera impactar en una
parte vulnerable del objeto a proteger y afectarlo de manera
adversa debido a la circulación de su corriente.
Generalmente, se acepta que intervalo en el cual un captador
puede interceptar una descarga de rayo no es constante, sino que
se incrementa con la severidad de la descarga.

La eficiencia de intercepción de un captador
sólo podría mejorarse si se ideara un dispositivo
capaz de incrementar la distancia de impacto ante cada descarga
de rayo. Para lograr esto, la tecnología que se emplee
tendría que contribuir al incremento de la longitud del
líder ascendente que se emite desde la punta del
captador.

La longitud máxima de dicho líder
ascendente depende únicamente del campo eléctrico
creado por el líder descendente que lo forma y la
magnitud, formación y características de este campo
"inducido" están fuera de nuestro control.

REFERENCIAS:

? "Lightning". M. A. Uman, Dover
Publicatios, New York.

? "A review of the lightning attachment
process and requirements to achieve improved modelling", J.R.
Gumley and G. Berger.

? "Interception of a lightning stroke", C.
Menemenlis, University of Patras, Greece.

? "A modern perspective on direct strike
lightning protection", F. D"Alessandro.

Autor:

Ing. Frank Amores Sánchez

Especialista PCI, APCI.