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Para comprender cómo se originan las tormentas eléctricas, primero es necesario entender que “la Tierra está cargada eléctricamente y actúa como un enorme capacitor esférico, lo que da origen a lo que se conoce como el Circuito Eléctrico Global. La Tierra posee una carga negativa de aproximadamente un millón de coulombs, mientras que una carga positiva de igual magnitud reside en la atmósfera, lo cual da origen a que exista un flujo de corriente” , en el cual, siempre se buscará un equilibrio de éstas cargas A la vez, la atmósfera presenta resistividad que decrece con la altura. Dicho esto, a una altitud cercana a los 48 km., la resistividad es más o menos constante, debido a que hay partículas ionizadas. A esta región se le conoce como electrósfera.
“Dado a que la atmósfera no está completamente aislada, existe una pequeña corriente entre la Tierra y la electrosfera.” Posteriormente, comienzan a ocurrir cambios entre ellos y buscan un equilibrio, las cargas negativas provenientes de la Tierra, regresan por medio de las tormentas eléctricas, las cuáles producen cerca de 50 a 100 descargas eléctricas de las nubes a tierra cada segundo, lo cual recarga a la superficie de la Tierra. De igual manera, “Las tormentas eléctricas están asociadas a la actividad conectiva. Las nubes cumulonimbos son las formas más grandes de nubes conectivas –que son aquellas formadas por el transporte de partículas cargadas desde el suelo a la base de la nube– y típicamente producen descargas eléctricas.” De esta manera, se puede definir como una nube que produce truenos, debido a que los truenos son la evidencia audible de que existe actividad eléctrica y éstos a su vez son producto de los relámpagos o rayos.
“Las tormentas eléctricas sólo se producen en nubes de crecimiento vertical o conectivas. Las de conectivas suceden regularmente por una diferencia de temperatura; por ejemplo: cuando la radiación solar calienta el agua del mar y provoca una evaporación. Otra forma es cuando el viento horizontal –al encontrarse con una montaña– asciende y contribuye a la convección vertical.” La distribución geográfica de las tormentas es muy irregular. Son escasas en las superficies oceánicas frías y zonas con estabilidad. En las regiones ecuatoriales y tropicales son muy frecuentes y se presentan en los meses de primavera y verano. “En general, las regiones montañosas se caracterizan por una mayor actividad de los fenómenos tormentosos, debido, en parte, a que la propia orografía es un factor que favorece la inestabilidad condicional, que es uno de los estados atmosféricos que pueden originar tormentas.”
Información tomada de: Álvarez Castillo, Jesús. (2008). Tesis Maestría en Ciencias: Efecto de las Tormentas Eléctricas en los Rayos Cósmicos Detectados en la Superficie Terrestre. México, pp. 47-57.
La mayoría de las tormentas eléctricas se forman por un ciclo de tres etapas: etapa cumulus, etapa madura, y etapa de disipación.
Etapa Cumulus
El sol calienta la superficie de la Tierra durante el día. El calor de la superficie calienta el aire cercano. Como el aire caliente es más ligero que aire fresco, comienza a elevarse (conocido como corriente ascendente). Si el aire es húmedo, entonces el aire caliente se condensa en una nube cumulus. La nube continuará creciendo mientras haya aire cálido ascendiendo.
Etapa Madura
Cuando la nube cumulus se hace muy grande, el agua en ella se hace muy pesada. Gotas de lluvia comienzan a caer por la nube cuando el aire ascendente ya no puede sostenerlas. Mientras, aire frío comienza a entrar en la nube. Como el aire frío es más pesado que el aire caliente, comienza a descender en la nube (conocido como corriente descendente). La corriente descendente arrastra la pesada agua hacia abajo, provocando lluvia. Esta nube se ha convertido en una nube cumulonimbus porque tiene una corriente ascendente, una corriente descendente, y lluvia. Comienzan a ocurrir truenos y rayos, junto a fuerte lluvia. La cumulonimbus es ahora una celda de tormenta.
Etapa de Disipación
Después de unos 30 minutos, la tormenta comienza a disiparse. Esto ocurre cuando la corriente descendente empieza a dominar sobre la ascendente. Como el aire caliente ya no puede elevarse, no se pueden formar más gotas de lluvias. La tormenta desaparece con una lluvia débil mientras las nubes desaparecen de abajo hacia arriba. El proceso completo demora cerca de una hora para tormentas ordinarias. Tormentas súper celdas son mucho mayores y más poderosas, y duran varias horas.
Extraída de http://www.windows2universe.org/earth/Atmosphere/
Las cargas que se forman en la nube de la tormenta eléctrica son acumuladas –debido a que el aire es un buen aislante– de tal manera que se forman grandes diferencias de potencial. A su vez, los campos eléctricos generados por estas cargas acumuladas empiezan a ser demasiado intensos y el aire llega entonces a un punto de ruptura en el cual conduce y hay un intercambio de carga, ya sea dentro de la nube, o hacia la tierra, y de esta manera, la carga es neutralizada y se genera una descarga eléctrica.
La descarga eléctrica puede ocurrir por cuatro caminos. Éstos pueden ser: intra-nube –dentro de la nube–, nube-aire –de una nube al aire–, nube-nube –de una nube a otra nube adyacente–, y nube-tierra –de una nube a tierra–. Una descarga intra-nube, redistribuye la carga dentro de la nube. De igual forma, en las descargas nube-nube sucede lo mismo, sólo que es entre nubes, éstas dos son las más frecuentes, mientras que las descargas nube-aire son menos usuales. Por otro lado, estas últimas tienen un pequeño efecto sobre las personas. Las descargas nube-tierra son las más documentadas y en éstas se da el intercambio de carga entre la nube y la superficie de la Tierra, ya sean de carga negativa o positiva, siendo estas últimas menos frecuentes. Esta puede ser determinada por la polaridad de la corriente que golpea, las descargas se dan hacia abajo y hacia arriba, pueden originarse de la tierra. Estas descargas afectan gravemente a las personas, transforman la energía y las comunicaciones. Cuando el campo eléctrico se intensifica, los electrones presentes en la atmósfera pueden acelerarse y de esta manera desprender electrones que chocan con más moléculas. “Entonces, una corriente eléctrica intensa puede fluir entre la superficie de la tierra y la nube o entre tope de la nube y el centro de la misma.”10 La formación de las descargas eléctricas –rayos– implica la formación de un flujo electrónico “guía”, y dependiendo del potencial generado es la luminosidad. Conforme los electrones se aproximan a tierra, un flujo de carga positiva es emitido por objetos como árboles. A medida que los electrones chocan con los átomos y moléculas del aire, éstos absorben energía y son excitados, por lo cual emiten fotones, dando origen a luz del rayo.