La electricidad atmosférica describe las cargas eléctricas en la atmósfera terrestre (o la de otro planeta ). El movimiento de carga entre la superficie terrestre, la atmósfera y la ionosfera se conoce como circuito eléctrico atmosférico global . La electricidad atmosférica es un tema interdisciplinario con una larga historia, que involucra conceptos de electrostática , física atmosférica , meteorología y ciencias de la Tierra . [2]
Las tormentas actúan como una batería gigante en la atmósfera, cargando la electrosfera a unos 400.000 voltios con respecto a la superficie. [3] Esto crea un campo eléctrico en toda la atmósfera, que disminuye con el aumento de la altitud . Los iones atmosféricos creados por los rayos cósmicos y la radiactividad natural se mueven en el campo eléctrico, por lo que una corriente muy pequeña fluye a través de la atmósfera, incluso lejos de las tormentas. Cerca de la superficie de la Tierra, la magnitud del campo es en promedio de alrededor de 100 V/m, [4] orientado de tal manera que impulsa hacia abajo las cargas positivas. [5]
La electricidad atmosférica implica tanto tormentas eléctricas, que crean relámpagos para descargar rápidamente enormes cantidades de carga atmosférica almacenada en las nubes de tormenta, como la electrificación continua del aire debido a la ionización de los rayos cósmicos y la radiactividad natural , que garantizan que la atmósfera nunca sea del todo neutral. [6]
Las chispas extraídas de máquinas eléctricas y de tarros de Leyden sugirieron a los primeros experimentadores Hauksbee , Newton , Wall, Nollet y Gray que los rayos eran causados por descargas eléctricas. En 1708, el Dr. William Wall fue uno de los primeros en observar que las descargas de chispas se parecían a relámpagos en miniatura, después de observar las chispas de un trozo de ámbar cargado .
Los experimentos de Benjamin Franklin demostraron que los fenómenos eléctricos de la atmósfera no eran fundamentalmente diferentes de los producidos en el laboratorio , al enumerar muchas similitudes entre la electricidad y los rayos. En 1749, Franklin observó que los rayos poseían casi todas las propiedades observables en las máquinas eléctricas.
En julio de 1750, Franklin planteó la hipótesis de que se podía extraer electricidad de las nubes mediante una alta antena de metal con una punta afilada. Antes de que Franklin pudiera llevar a cabo su experimento, en 1752 Thomas-François Dalibard erigió una barra de hierro de 40 pies (12 m) en Marly-la-Ville , cerca de París, sacando chispas de una nube que pasaba. Con antenas aisladas en tierra , un experimentador podría acercar un cable a tierra con un mango de cera aislado a la antena y observar una descarga de chispa desde la antena al cable de tierra. En mayo de 1752, Dalibard afirmó que la teoría de Franklin era correcta.
Alrededor de junio de 1752, Franklin supuestamente realizó su famoso experimento con cometas. El experimento de la cometa fue repetido por Romas, quien sacó de una cuerda metálica chispas de 2,7 m (9 pies) de largo, y por Cavallo , quien hizo muchas observaciones importantes sobre la electricidad atmosférica. Lemonnier (1752) también reprodujo el experimento de Franklin con una antena, pero sustituyó el cable de tierra por algunas partículas de polvo (prueba de atracción). Continuó documentando las condiciones climáticas favorables , la electrificación de la atmósfera en días despejados y su variación diurna . Beccaria (1775) confirmó los datos de variación diurna de Lemonnier y determinó que la polaridad de carga de la atmósfera era positiva cuando hacía buen tiempo. Saussure (1779) registró datos relacionados con la carga inducida de un conductor en la atmósfera. El instrumento de Saussure (que contenía dos pequeñas esferas suspendidas en paralelo con dos alambres delgados) fue un precursor del electrómetro . Saussure descubrió que la electrificación atmosférica en condiciones de tiempo despejado tenía una variación anual y que también variaba con la altura. En 1785 Coulomb descubrió la conductividad eléctrica del aire. Su descubrimiento fue contrario a la idea predominante en la época de que los gases atmosféricos eran aislantes (que en cierta medida lo son, o al menos no muy buenos conductores cuando no están ionizados ). Erman (1804) teorizó que la Tierra tenía carga negativa y Peltier (1842) probó y confirmó la idea de Erman.
Varios investigadores contribuyeron al creciente conjunto de conocimientos sobre los fenómenos eléctricos atmosféricos. Francis Ronalds comenzó a observar el gradiente potencial y las corrientes aire-tierra alrededor de 1810, incluida la realización de registros automatizados continuos . [7] Reanudó su investigación en la década de 1840 como director honorario inaugural del Observatorio de Kew , donde se creó el primer conjunto de datos ampliado y completo de parámetros eléctricos y meteorológicos asociados. También suministró su equipo a otras instalaciones en todo el mundo con el objetivo de delimitar la electricidad atmosférica a escala global. [8] El nuevo colector cuentagotas de agua y el electrómetro de anillo dividido de Kelvin [9] se introdujeron en el Observatorio de Kew en la década de 1860, y la electricidad atmosférica siguió siendo una especialidad del observatorio hasta su cierre. Para mediciones a gran altitud, alguna vez se usaron cometas , y todavía se usan globos meteorológicos o aeróstatos para levantar equipos experimentales en el aire. Los primeros experimentadores incluso volaron ellos mismos en globos aerostáticos .
Hoffert (1888) identificó los rayos individuales hacia abajo utilizando las primeras cámaras. [10] Elster y Geitel , que también trabajaron en la emisión termoiónica , propusieron una teoría para explicar la estructura eléctrica de las tormentas (1885) y, posteriormente, descubrieron la radiactividad atmosférica (1899) a partir de la existencia de iones positivos y negativos en la atmósfera. [11] Pockels (1897) estimó la intensidad de la corriente del rayo analizando los relámpagos en basalto (c. 1900) [12] y estudiando los campos magnéticos sobrantes causados por los rayos. [13] Los descubrimientos sobre la electrificación de la atmósfera mediante instrumentos eléctricos sensibles y las ideas sobre cómo se mantiene la carga negativa de la Tierra se desarrollaron principalmente en el siglo XX, con CTR Wilson desempeñando un papel importante. [14] [15] La investigación actual sobre la electricidad atmosférica se centra principalmente en los rayos, en particular las partículas de alta energía y los eventos luminosos transitorios, y el papel de los procesos eléctricos distintos de las tormentas en el tiempo y el clima.
La electricidad atmosférica siempre está presente y, durante el buen tiempo, lejos de las tormentas, el aire sobre la superficie de la Tierra está cargado positivamente, mientras que la carga superficial de la Tierra es negativa. Esto puede entenderse en términos de una diferencia de potencial entre un punto de la superficie de la Tierra y un punto en algún lugar en el aire encima de ella. Debido a que el campo eléctrico atmosférico está dirigido negativamente cuando hace buen tiempo, la convención es referirse al gradiente de potencial, que tiene el signo opuesto y es de aproximadamente 100 V/m en la superficie, lejos de las tormentas. [6] Hay una corriente de conducción débil de iones atmosféricos que se mueven en el campo eléctrico atmosférico, alrededor de 2 picoamperios por metro cuadrado, y el aire es débilmente conductor debido a la presencia de estos iones atmosféricos.
La Carnegie Institution de Washington investigó en el siglo XX los ciclos diarios globales en el campo eléctrico atmosférico, con un mínimo alrededor de las 03 UT y un máximo aproximadamente 16 horas después. Esta variación de la curva de Carnegie [16] ha sido descrita como "el latido eléctrico fundamental del planeta". [17]
Incluso lejos de las tormentas, la electricidad atmosférica puede ser muy variable, pero, en general, el campo eléctrico aumenta en la niebla y el polvo, mientras que la conductividad eléctrica atmosférica disminuye.
El gradiente de potencial atmosférico conduce a un flujo de iones desde la atmósfera cargada positivamente hacia la superficie terrestre cargada negativamente. Sobre un campo llano en un día con cielo despejado, el gradiente de potencial atmosférico es de aproximadamente 120 V/m. [18] Los objetos que sobresalen de estos campos, por ejemplo flores y árboles, pueden aumentar la intensidad del campo eléctrico hasta varios kilovoltios por metro. [19] Estas fuerzas electrostáticas cercanas a la superficie son detectadas por organismos como el abejorro para navegar hacia las flores [19] y la araña para iniciar la dispersión en globo. [18] [20] También se cree que el gradiente de potencial atmosférico afecta la electroquímica y los procesos microbianos del subsuelo. [21]
Por otro lado, los enjambres de insectos [22] y pájaros [23] pueden ser una fuente de carga biogénica en la atmósfera, lo que probablemente contribuya a una fuente de variabilidad eléctrica en la atmósfera.
La capa de la electrosfera (desde decenas de kilómetros sobre la superficie de la Tierra hasta la ionosfera) tiene una alta conductividad eléctrica y se encuentra esencialmente a un potencial eléctrico constante. La ionosfera es el borde interior de la magnetosfera y es la parte de la atmósfera que se ioniza por la radiación solar. ( La fotoionización es un proceso físico en el que un fotón incide sobre un átomo, ion o molécula, lo que resulta en la expulsión de uno o más electrones) .
La Tierra, y casi todos los seres vivos que la habitan, son bombardeados constantemente por la radiación del espacio exterior. Esta radiación consiste principalmente en iones cargados positivamente desde protones hasta hierro y núcleos más grandes derivados de fuentes fuera del Sistema Solar . Esta radiación interactúa con los átomos de la atmósfera para crear una lluvia de aire de radiación ionizante secundaria, que incluye rayos X , muones , protones , partículas alfa , piones y electrones . La ionización de esta radiación secundaria asegura que la atmósfera sea débilmente conductora, y el ligero flujo de corriente de estos iones sobre la superficie de la Tierra equilibra el flujo de corriente de las tormentas. [4] Los iones tienen parámetros característicos como la movilidad , la vida útil y la tasa de generación que varían con la altitud .
La diferencia de potencial entre la ionosfera y la Tierra se mantiene mediante tormentas eléctricas , y los rayos liberan cargas negativas de la atmósfera al suelo.
Las colisiones entre hielo y granizo blando (graupel) dentro de las nubes cumulonimbus provocan la separación de cargas positivas y negativas dentro de la nube, fundamental para la generación de rayos. Cómo se forma inicialmente el rayo sigue siendo un tema de debate: los científicos han estudiado las causas fundamentales que van desde las perturbaciones atmosféricas (viento, humedad y presión atmosférica ) hasta el impacto del viento solar y las partículas energéticas.
Un rayo promedio transporta una corriente eléctrica negativa de 40 kiloamperios (kA) (aunque algunos rayos pueden tener hasta 120 kA) y transfiere una carga de cinco culombios y una energía de 500 MJ , o energía suficiente para alimentar un rayo de 100 vatios. bombilla durante poco menos de dos meses. El voltaje depende de la longitud del rayo: la ruptura dieléctrica del aire es de tres millones de voltios por metro y los rayos suelen tener varios cientos de metros de largo. Sin embargo, el desarrollo del líder del rayo no es una simple cuestión de ruptura dieléctrica, y los campos eléctricos ambientales requeridos para la propagación del líder del rayo pueden ser unos pocos órdenes de magnitud menores que la resistencia a la ruptura dieléctrica. Además, el gradiente de potencial dentro de un canal de retorno bien desarrollado es del orden de cientos de voltios por metro o menos debido a la intensa ionización del canal, lo que da como resultado una verdadera potencia de salida del orden de megavatios por metro para un retorno vigoroso. Corriente de carrera de 100 kA. [12]
Si se conoce la cantidad de agua que se condensa y posteriormente se precipita en una nube, entonces se puede calcular la energía total de una tormenta. En una tormenta media, la energía liberada asciende a unos 10.000.000 de kilovatios-hora (3,6 × 1013 julios ), lo que equivale a una ojiva nuclear de 20 kilotones . Una tormenta grande y severa podría tener entre 10 y 100 veces más energía.
El fuego de San Telmo es un fenómeno eléctrico en el quese crea plasma luminoso mediante una descarga coronal que se origina en un objeto conectado a tierra . Los rayos en forma de bola a menudo se identifican erróneamente como el Fuego de San Telmo, cuando son fenómenos separados y distintos. [26] Aunque se lo conoce como "fuego", el Fuego de San Telmo es, de hecho, plasma , y se observa, generalmente durante una tormenta , en las copas de los árboles, agujas u otros objetos altos, o en las cabezas de los animales. como un pincel o estrella de luz.
La corona es causada por el campo eléctrico alrededor del objeto en cuestión que ioniza las moléculas de aire, produciendo un brillo tenue fácilmente visible en condiciones de poca luz. Se requieren aproximadamente entre 1.000 y 30.000 voltios por centímetro para inducir el fuego de San Telmo; sin embargo, esto depende de la geometría del objeto en cuestión. Las puntas afiladas tienden a requerir niveles de voltaje más bajos para producir el mismo resultado porque los campos eléctricos están más concentrados en áreas de alta curvatura, por lo que las descargas son más intensas en el extremo de los objetos puntiagudos. El fuego de San Telmo y las chispas normales pueden aparecer cuando un alto voltaje eléctrico afecta a un gas. El fuego de San Telmo se ve durante las tormentas eléctricas cuando el suelo debajo de la tormenta está cargado eléctricamente y hay un alto voltaje en el aire entre la nube y el suelo. El voltaje desgarra las moléculas de aire y el gas comienza a brillar. El nitrógeno y el oxígeno de la atmósfera terrestre hacen que el Fuego de San Telmo emita fluorescencia con luz azul o violeta; Esto es similar al mecanismo que hace que los letreros de neón brillen.
Las resonancias Schumann son un conjunto de picos espectrales en la porción de frecuencia extremadamente baja (ELF) del espectro del campo electromagnético de la Tierra. La resonancia Schumann se debe a que el espacio entre la superficie de la Tierra y la ionosfera conductora actúa como guía de ondas . Las dimensiones limitadas de la Tierra hacen que esta guía de ondas actúe como una cavidad resonante para las ondas electromagnéticas. La cavidad se excita naturalmente con la energía de los rayos. [27]
Las cargas atmosféricas pueden causar una acumulación potencial de carga indeseable, peligrosa y potencialmente letal en los sistemas de distribución de energía de cables eléctricos suspendidos. Cables desnudos suspendidos en el aire a lo largo de muchos kilómetros y aislados del suelo pueden acumular cargas almacenadas de gran tamaño a alto voltaje, incluso cuando no hay tormentas ni relámpagos. Esta carga buscará descargarse a través del camino de menor aislamiento, lo que puede ocurrir cuando una persona extiende la mano para activar un interruptor de encendido o usar un dispositivo eléctrico.
Para disipar la acumulación de carga atmosférica, un lado del sistema de distribución eléctrica está conectado a tierra en muchos puntos a lo largo del sistema de distribución, con tanta frecuencia como en cada poste de soporte . El único cable conectado a tierra se conoce comúnmente como "tierra protectora" y proporciona un camino para que el potencial de carga se disipe sin causar daños, y proporciona redundancia en caso de que cualquiera de los caminos a tierra sea deficiente debido a la corrosión o a una mala conductividad del suelo. . El cable de conexión a tierra eléctrico adicional que no transporta energía cumple una función secundaria, proporcionando una ruta de cortocircuito de alta corriente para fundir rápidamente los fusibles y hacer que un dispositivo dañado sea seguro, en lugar de que un dispositivo sin conexión a tierra con aislamiento dañado se vuelva "eléctricamente vivo" a través del cable. fuente de alimentación de red y peligroso al tacto.
Cada transformador en una red de distribución de corriente alterna segmenta el sistema de puesta a tierra en un nuevo circuito de circuito separado. Estas redes separadas también deben estar conectadas a tierra en un lado para evitar la acumulación de carga dentro de ellas en relación con el resto del sistema, lo que podría causar daños debido a los potenciales de carga que se descargan a través de las bobinas del transformador hacia el otro lado conectado a tierra de la red de distribución.
