La electricidad atmosférica describe las cargas eléctricas en la atmósfera de la Tierra (o la de otro planeta ). El movimiento de carga entre la superficie de la Tierra, 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 la electrostática , la física atmosférica , la meteorología y las ciencias de la Tierra . [2]
Las tormentas eléctricas actúan como una batería gigante en la atmósfera, cargando la electrosfera hasta unos 400.000 voltios con respecto a la superficie. [3] Esto establece 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 eléctricas. 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 las cargas positivas hacia abajo. [5]
La electricidad atmosférica involucra tanto las tormentas eléctricas , que crean rayos 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 completamente neutral. [6]
Las chispas extraídas de las máquinas eléctricas y de las botellas 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 antena metálica alta 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 12 m (40 pies) en Marly-la-Ville , cerca de París, para extraer chispas de una nube que pasaba. Con antenas con aislamiento de tierra , un experimentador podía acercar un cable conectado a tierra con un mango de cera aislado a la antena y observar una descarga de chispas desde la antena hasta el 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 de la cometa. El experimento de la cometa fue repetido por Romas, quien extrajo chispas de una cuerda metálica de 9 pies (2,7 m) 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 con algunas partículas de polvo (probando la atracción). Continuó documentando las condiciones de buen tiempo , la electrificación de la atmósfera en días claros 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 en 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 cables delgados) fue un precursor del electrómetro . Saussure descubrió que la electrificación atmosférica en condiciones de clima despejado tenía una variación anual y que también variaba con la altura. En 1785, Coulomb descubrió la conductividad eléctrica del aire. Su descubrimiento era contrario a la idea predominante en la época, de que los gases atmosféricos eran aislantes (que lo son hasta cierto punto, o al menos no son muy buenos conductores cuando no están ionizados ). Erman (1804) teorizó que la Tierra estaba cargada negativamente, y Peltier (1842) probó y confirmó la idea de Erman.
Varios investigadores contribuyeron al creciente cuerpo de conocimiento sobre los fenómenos eléctricos atmosféricos. Francis Ronalds comenzó a observar el gradiente de potencial y las corrientes aire-tierra alrededor de 1810, incluso haciendo registros automáticos continuos . [7] Reanudó su investigación en la década de 1840 como Director Honorario inaugural del Observatorio Kew , donde se creó el primer conjunto de datos extendido y completo de parámetros eléctricos y meteorológicos asociados. También suministró su equipo a otras instalaciones en todo el mundo con el objetivo de delinear la electricidad atmosférica a escala global. [8] El nuevo colector de gotero de agua y el electrómetro de anillo dividido de Kelvin [9] se introdujeron en el Observatorio Kew en la década de 1860, y la electricidad atmosférica siguió siendo una especialidad del observatorio hasta su cierre. Para las mediciones a gran altitud, alguna vez se usaron cometas , y todavía se usan globos meteorológicos o aeróstatos , para elevar el equipo experimental en el aire. Los primeros experimentadores incluso se elevaron ellos mismos en globos aerostáticos .
Hoffert (1888) identificó los rayos individuales que caían hacia abajo utilizando cámaras antiguas. [10] Elster y Geitel , que también trabajaron en emisión termoiónica , propusieron una teoría para explicar la estructura eléctrica de las tormentas (1885) y, más tarde, 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 destellos de los rayos en basalto (c. 1900) [12] y estudiando los campos magnéticos residuales causados por los rayos. [13] Los descubrimientos sobre la electrificación de la atmósfera a través de 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 en las partículas de alta energía y los eventos luminosos transitorios, y en el papel de los procesos eléctricos que no son tormentas en el tiempo y el clima.
La electricidad atmosférica está siempre presente y, cuando hace buen tiempo y no hay tormentas, el aire sobre la superficie de la Tierra tiene carga positiva, mientras que la carga superficial de la Tierra es negativa. Esto se puede entender en términos de una diferencia de potencial entre un punto de la superficie de la Tierra y un punto en algún lugar del aire por 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, aproximadamente 2 picoamperios por metro cuadrado, y el aire es débilmente conductor debido a la presencia de estos iones atmosféricos.
En el siglo XX, la Carnegie Institution de Washington investigó los ciclos diarios globales del campo eléctrico atmosférico, con un mínimo alrededor de las 03 UT y un pico aproximadamente 16 horas después. Esta variación de la curva Carnegie [16] se ha descrito como "el latido eléctrico fundamental del planeta". [17]
Incluso lejos de tormentas eléctricas, la electricidad atmosférica puede ser muy variable, pero, en general, el campo eléctrico aumenta en presencia de niebla y polvo, mientras que la conductividad eléctrica atmosférica disminuye.
El gradiente de potencial atmosférico produce un flujo de iones desde la atmósfera cargada positivamente hacia la superficie terrestre cargada negativamente. Sobre un terreno plano en un día de 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 a 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 al volar en globo . [18] [20] También se cree que el gradiente de potencial atmosférico afecta a la electroquímica subterránea y a los procesos microbianos. [21]
Por otra parte, los insectos enjambres [22] y las aves [23] pueden ser una fuente de carga biogénica en la atmósfera, probablemente contribuyendo a una fuente de variabilidad eléctrica en la atmósfera.
La capa de la electrósfera (desde decenas de kilómetros por encima de la superficie de la Tierra hasta la ionósfera) tiene una alta conductividad eléctrica y se encuentra esencialmente a un potencial eléctrico constante. La ionósfera es el borde interior de la magnetósfera 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 da como resultado la expulsión de uno o más electrones.) [24]
La Tierra, y casi todos los seres vivos que la habitan, reciben constantemente un bombardeo de radiación procedente del espacio exterior. Esta radiación se compone principalmente de iones con carga positiva, desde protones hasta hierro y núcleos más grandes, procedentes de fuentes externas al Sistema Solar . Esta radiación interactúa con los átomos de la atmósfera para crear una lluvia de radiación ionizante secundaria, que incluye rayos X , muones , protones , partículas alfa , piones y electrones . La ionización de esta radiación secundaria garantiza que la atmósfera sea poco conductora, y el ligero flujo de corriente de estos iones sobre la superficie de la Tierra equilibra el flujo de corriente de las tormentas eléctricas. [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 transmiten cargas negativas desde la atmósfera al suelo.
Las colisiones entre el hielo y el granizo blando (granizo blando) dentro de las nubes cumulonimbus provocan la separación de cargas positivas y negativas dentro de la nube, algo esencial para la generación de rayos. La forma en que se forman inicialmente los rayos 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 ser de hasta 120 kA), y transfiere una carga de cinco culombios y energía de 500 MJ , o suficiente energía para alimentar una bombilla de 100 vatios durante poco menos de dos meses. El voltaje depende de la longitud del rayo, siendo la ruptura dieléctrica del aire de tres millones de voltios por metro, y los rayos a menudo tienen varios cientos de metros de longitud. Sin embargo, el desarrollo del conductor del rayo no es una simple cuestión de ruptura dieléctrica, y los campos eléctricos ambientales necesarios para la propagación del conductor del rayo pueden ser unos pocos órdenes de magnitud menores que la resistencia de 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 resulta en una salida de potencia real del orden de megavatios por metro para una vigorosa corriente de retorno de 100 kA. [12]
Si se conoce la cantidad de agua que se condensa y se precipita posteriormente desde una nube, se puede calcular la energía total de una tormenta. En una tormenta promedio, la energía liberada asciende a unos 10.000.000 kilovatios-hora (3,6 × 1013 julios ), lo que equivale a una ojiva nuclear de 20 kilotones . Una tormenta eléctrica grande y severa podría ser de 10 a 100 veces más energética.
El fuego de San Telmo es un fenómeno eléctrico en el quese crea un plasma luminoso mediante una descarga coronal que se origina en un objeto conectado a tierra . Los rayos globulares suelen identificarse erróneamente como el fuego de San Telmo, cuando son fenómenos separados y distintos. [26] Aunque se lo denomina "fuego", el fuego de San Telmo es, de hecho, plasma y se observa, por lo general durante una tormenta eléctrica , en las copas de los árboles, torres 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 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 en la atmósfera de la Tierra hacen que el Fuego de San Telmo emita fluorescencia con luz azul o violeta; esto es similar al mecanismo que hace que brillen los letreros de neón.
Las resonancias de 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 de Schumann se debe al espacio entre la superficie de la Tierra y la ionosfera conductora que actúa como una 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 provocar una acumulación de potencial de carga no deseada, peligrosa y potencialmente letal en los sistemas de distribución de energía mediante cables eléctricos suspendidos. Los cables desnudos suspendidos en el aire que se extienden a lo largo de muchos kilómetros y aislados del suelo pueden acumular cargas almacenadas muy grandes a alto voltaje, incluso cuando no se producen tormentas eléctricas ni relámpagos. Esta carga intentará descargarse por el camino de menor aislamiento, lo que puede ocurrir cuando una persona extiende la mano para activar un interruptor de encendido o para utilizar un dispositivo eléctrico.
Para disipar la acumulación de carga atmosférica, un lado del sistema de distribución eléctrica se conecta a tierra en muchos puntos a lo largo del sistema de distribución, con la misma frecuencia que en cada poste de soporte . El cable conectado a tierra se conoce comúnmente como "tierra de protección" y proporciona una ruta para que el potencial de carga se disipe sin causar daños, y proporciona redundancia en caso de que alguna de las rutas de tierra sea deficiente debido a la corrosión o la mala conductividad de la tierra. El cable de conexión a tierra eléctrica adicional que no transporta energía cumple una función secundaria, ya que proporciona 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 el aislamiento dañado se vuelva "eléctricamente activo" a través de la fuente de alimentación de la red y sea peligroso tocarlo.
Cada transformador de una red de distribución de corriente alterna segmenta el sistema de conexión a tierra en un nuevo circuito independiente. Estas redes independientes también deben estar conectadas a tierra en un lado para evitar la acumulación de carga en su interior en relación con el resto del sistema, lo que podría causar daños por la descarga de potenciales de carga a través de las bobinas del transformador hacia el otro lado conectado a tierra de la red de distribución.
