Preocupan en Brasil las tormentas con relámpagos que transportan cargas eléctricas positivas hacia el suelo y son mas destructivas que las de carga negativa.
Los relámpagos característica importante de las tormentas, causan espanto por su belleza, como también por su poder de destrucción. Ellos pueden ser definidos, de manera simplificada, como transferencia de cargas eléctricas entre las nubes, y entre estas y el suelo. Pero el origen de esas cargas y de muchos factores involucrados en la liberación de los rayos, son poco conocidos. El tema, por lo tanto, reserva sorpresas. Estudios hechos en diversos países, incluso en el Brasil, indican que la mayoría de los relámpagos transporta carga negativa hacia el suelo. Entretanto, analistas brasileños descubrieron que el sudeste del país, a veces, es asolado por tormentas en las cuales los rayos positivos son más numerosos. Tormentas como esas fueron identificadas recientemente en los Estados Unidos. Puesto que esos rayos son más destructivos que los de carga negativa, es importante conocer mejor las “tormentas positivas”.
La tormentas forman parte de la cotidianidad brasileña, principalmente, en verano. Con ellas llegan las lluvias fuertes, los relámpagos y a veces el granizo. Todos ellos producen enormes trastornos en la vida en las ciudades y en el campo, pues dañan construcciones y cultivos, a veces con pérdidas humanas. Los desmoronamientos y las inundaciones son hoy serios problemas, principalmente en las zonas urbanas mal planeadas. El granizo representan una pesadilla para los agricultores y existen muchos ejemplos de estragos o muertes producidas Y por relámpagos, si bien los pararrayos muchas veces los evitan. Conocer mejor las tormentas -de dónde vienen, cómo se desarrollan, qué procesos internos generan los rayos- puede de alguna manera ayudar a evitar sus consecuencias.
Las nubes del tipo cúmulonimbus, abreviadas como Cb, son las responsables de las tormentas. Esas nubes grandes y oscuras se forman cuando la atmósfera es lo suficientemente inestable como para permitir que las nubes cúmulos alcancen las capas más altas y crezcan -esa inestabilidad ocurre cuando la caída de la temperatura del aire, por cada kilómetro de altura, es igual o superior a 6° C.
El proceso de formación de las nubes comienza cuando el vapor del agua mezclado con el aire es calentado, junto a la superficie de la Tierra. Con el calentamiento, el aire húmedo se expande, disminuye su densidad, y tiende a subir. Al alcanzar la capa en la cual la temperatura es igual al punto de rocio -el punto de condensación- el vapor vuelve al estado líquido en forma de gotitas, y se origina la nube. Si la atmósfera fuera inestable, esas pequeñas gotas continuarían subiendo y podrían formar una nube del tipo Cb. Otros factores -grado de humedad, la proximidad de montañas y ciertos sistemas meteorológicos- también influyen en ese proceso y por lo tanto en la formación de las tormentas.
La tormenta local, producida generalmente por apenas una nube Cb, quizás sea la más común y la menos intensa. Su origen está ligado a diferencias locales de temperatura, y es típica de regiones cálidas y húmedas. Otro tipo -la tormenta orográfica- ocurre en regiones montañosas. El aire próximo a la cumbre de las montañas suele estar más caliente que el aire vecino en el mismo nivel y por eso tiende a subir y ser substituido por otras masas de aire. También pueden ocurrir cuando vientos intensos, próximos a la superficie, soplan en dirección de las zonas montañosas. Las tormentas locales y orográficas, conocidas como “aisladas”, tienen una duración de una a dos horas.
CÓMO SE FORMAN LAS NUBES
Generalmente, la formación de una nube de tormenta aislada comienza con el agrupamiento de pequeñas nubes cúmulos, nubes blancas con ancho y alto de algunas centenas de metros, que surgen típicamente a una altura de 1km sobre la superficie (Figura 1). Pero en algunos casos las nubes Cb se pueden originar de nubes de otros tipos como alto-cúmulos o estrato-cúmulos. Con condiciones atmosféricas favorables, las nubes cúmulos pueden agruparse y generar nubes mayores, con formas semejantes a las de una coliflor (Figura 2). Esas, a su vez, pueden unirse para formar una aún mayor, llamada cumulo-congestos, con el mismo formato (Figura 3). En ese punto, mientras la base de la nube todavía está a 1km del suelo, el tope ya alcanza altitudes entre 3 y 5km, y se extiende algunos kilómetros en sentido horizontal.
En algunos casos, la nube deja de desarrollarse en ese punto, sin tornarse una nube de tormenta, y se disipa sin presentar rayos. Si eso no ocurre, ella continúa su movimiento ascendente y comienzan a formarse partículas de hielo. En ese punto la nube ya es cúmulonimbus, con diámetro entre 3 y 8km y tope situado entre 5 y 8km, presentando irregularidades, a causa de las partículas de hielo. Las nubes cumulonimbus poseen tres etapas de existencia: desarrollo, madurez y disipación, cada una con 20 a 40 minutos de duración.
En la primera etapa, el movimiento de aire ascendente predomina dentro del Cb, arrastrando gotitas de agua y partículas de hielo hacia arriba con velocidad de 20 a 7Okm/h. Generalmente esa etapa no es acompañada por lluvia. En la fase de la madurez, el Cb presenta una circulación interna compleja, con movimientos tanto ascendentes como descendentes. Eso sucede porque las partículas mayores -formadas a partir de partículas menores de agua y hielo- son “atraídas” hacia abajo por la gravedad. Los movimientos pueden alcanzar una velocidad de hasta 100 km/h en esa etapa, cuando la nube tiene un diámetro típico de 10km. La base de la nube acostumbra ser casi plana y su distancia al suelo puede variar de 1km hasta cerca de 4km, dependiendo de la humedad. El tope alcanza alturas entre 8 y 20km, en algunos casos sobrepasa la “tropo-pausa” (limite en que la temperatura de la atmósfera deja de disminuir con la altura).
Por la acción de los vientos, las nubes cumulonimbus también suelen ser más anchas en el tope. En algunos casos, esa dilatación hace a los Cb parecidos a un yunque que apunta en la dirección del viento. Ese tipo de nube es a veces llamada Cb incos, y hay otros tipos de Cb en la etapa de la madurez (Figura 4), como los Cb calvus, cuyo tope es redondeado, como un cumulo-congestos; los Cb capillatus, que presenta, próxima al tope, una estructura en forma de estrías o fibras; y los Cb pileus, que muestran solamente un tenue “velo” en el tope. Las lluvias intensas y la mayoría de los relámpagos ocurren en la etapa de madurez. Los relámpagos de la nube hacia el suelo, en general, están precedidos por otros dentro de la nube, pero ocurren tanto antes como después del inicio de la lluvia. Los estudios han mostrado que, generalmente, cuanto más alto es el tope de la nube, mayor la frecuencia de los relámpagos, tanto en su interior como hacia el suelo.
Fig 4 Las nubes cúmulonimbus asumen varias formas, como la. (A) – Cv calvus. (B) – Cb capillatus. (C) – Cb pileos
En la etapa disipativa, el movimiento del aire es casi exclusivamente descendente, provocando un enfriamiento en la nube, en relación con el aire vecino. La lluvia, al reducir el contenido de la nube, también influye en el enfriamiento. En esa etapa, la altura del tope, el diámetro de la nube y las lluvias tienden a disminuir, hasta que la nube se disipa. La temperatura también tiende a retornar al valor anterior a la tormenta.
La altura alcanzada por el tope de las nubes de tormenta en sus diversas etapas depende principalmente de la latitud geográfica. En regiones de media a alta latitud (de las zonas templadas de la Tierra hacia los polos) es raro que ese tope pase los 8 km de altitud. Mientras tanto en regiones de media hacia baja latitud (de las zonas templadas hacia el Ecuador) pueden llegar a 20km o más. En un cincuenta por ciento de los casos, la altura del tope supera los 15km, y la mayor incidencia de nubes de tormenta con topes por encima de 20km parece ocurrir en el sudeste asiático, incluyendo el norte de Australia, Indonesia y Nueva Guinea.
Las nubes de tormenta son más comunes en regiones tropicales y templadas durante el verano, aunque también ocurren en regiones próximas a los polos y en otras estaciones. Ocurren más sobre los continentes que sobre los océanos, pues el calentamiento solar altera menos la temperatura del aire sobre éstos. Sin embargo, pueden surgir en cualquier hora del día. El mayor número de casos se produce entre las 16 y 18hs, en función del calentamiento solar. Sobre las montañas, el momento más propicio es entre las 13 y 14hs.
Las tormentas, además de las producidas por nubes aisladas, también pueden estar asociadas a conglomerados de nubes denominados sistemas convectivos de mesoescala, que pueden extenderse entre una y varias centenas de kilómetros. En esos casos, las tormentas tienden a ser más intensas, pues son formadas por grupos de nubes Cb. Los dos tipos de sistemas más conocidos en esa escala son las líneas de inestabilidad y los complejos convectivos.
Las líneas de inestabilidad ocurren generalmente asociadas a sistemas frontales, como los “frentes fríos”, cuando se chocan masas de aire con diferente temperatura y humedad. En ese choque, las masas de aire frío “empujan” hacia arriba a las de aire caliente, y producen líneas de tormenta que alcanzan, a veces, centenas de kilómetros de extensión. Las nubes Cb así generadas viven en promedio tanto como las que surgen aisladamente, pero pueden desplazarse por decenas de kilómetros durante su existencia. Las tormentas que provocan llegan a durar varias horas, ya que, con el desplazamiento del sistema, nuevas nubes son formadas a medida que las primeras se disipan. Las líneas de inestabilidad son comunes en el sur y sudeste del país, asociadas a “frentes fríos” provenientes de la Argentina.
Los complejos convectivos son agrupamientos de nubes de tormenta que toman forma casi circular, con diámetros de 300 a 400km y contienen centenas o hasta miles de nubes. Surgen generalmente por la noche; duran en promedio de 10 a l2hs; pueden, en ciertos casos, regenerarse durante días y parecen pasar por etapas semejantes a las de una nube Cb. En el Brasil, los complejos convectivos son observados con más frecuencia en la región sur, sin embargo pueden ocurrir en el sudeste y en el centro Oeste. En América del Sur son más comunes en el norte de la Argentina y en el Paraguay.
LA ESTRUCTURA ELÉCTRICA DE LA NUBE
Todavía no se sabe con seguridad cómo las nubes de tormenta se cargan eléctricamente. La estructura eléctrica de una nube de este tipo es muy compleja: resulta de la ocurrencia simultánea, en su interior, de procesos macrofísicos (que actúan en escalas de kilómetros) y microfísicos (que actúan en escalas de centímetros o metros). Se cree que tanto las nubes aisladas como las agrupadas tienen estructura similar, aunque no hay informaciones detalladas. En función de esos procesos, son generadas cargas intensas dentro de las nubes, con valores que pueden variar de algunos pocos coulombs (unidad de medida de carga eléctrica) hasta dos centenas de coulombs. Los relámpagos tienen su origen en esas cargas.
Diversos procesos microfisicos buscan explicar cómo las colisiones de las partículas de agua y hielo generan las cargas. Hay dos procesos principales: uno está basado en el campo eléctrico de la atmósfera y el otro, en la temperatura ambiente. El primero -proceso inductivo- sostiene que el campo eléctrico atmosférico, conocido como campo eléctrico de buen tiempo, puede separar las cargas por la polarización de partículas grandes (como el granizo). Como el campo eléctrico disminuye con la altitud, la colisión de partículas menores (como cristales de hielo) en la parte inferior del granizo transfiere cargas positivas para tales cristales (Figura 5). Ese proceso fue el más aceptado por mucho tiempo, pero en los últimos años experimentos de laboratorio indicaron que la intensidad del campo atmosférico no es suficiente para que esto ocurra, al menos en el período inicial de formación de las cargas dentro de la nube.
El otro proceso -termoeléctrico- asume que la polaridad de la carga transferida durante una colisión depende de la temperatura local (Figura 6). Si esta fuera mayor que la temperatura de inversión de carga, estimada en torno a los -15° C, el granizo transferiría una carga negativa al cristal de hielo. En caso contrario, lo haría con una carga positiva. Otros procesos microfísicos han sido sugeridos, como aquellos en que la separación de cargas ocurriría en el cambio de estado del agua a hielo o dependería del tamaño de las gotas de agua en caída dentro de la nube. Tales procesos todavía son investigados.
Los principales procesos macrofísicos que pueden explicar la distribución de las cargas eléctricas en las nubes son el proceso gravitatorio y el de convección. El primero (Figura 7) sostiene que la gravedad es el factor más importante: las cargas asociadas a las partículas mayores (de hasta algunos centímetros) tienden a desplazarse hacia la parte inferior, y las asociadas a las partículas menores (de fracciones de milímetro) tienden a quedar arriba.
El proceso de convección (Figura 8), hoy menos aceptado, asume que las cargas internas resultan simplemente de la distribución de las cargas eléctricas existentes en la atmósfera, sin la necesidad de considerar un proceso dentro de la nube.
La distribución de las cargas en una nube de tormenta depende de los procesos mencionados y puede ser descripta, en forma simplificada, como una estructura tripolar (Figura 9). Básicamente, existen dos centros principales de carga: uno positivo, más o menos esparcido en la parte superior de la nube, hasta cerca del tope; y otro negativo, concentrado en la capa horizontal en que la temperatura se mantiene alrededor de -10° C. Pero existe un tercer centro menor y también positivo, junto a la base de la nube. Durante mucho tiempo, el centro menor fue asociado a la captura, por la nube, de iones positivos presentes en la atmósfera debajo de ella. Actualmente, se cree que tiene su origen en el proceso termoeléctrico.
Generalmente, la carga eléctrica de los centros principales es de orden de 30 coulombs y la carga del centro menor, de alrededor de 5 coulombs. Las altitudes en las que ellos se localizan varían de acuerdo con la latitud geográfica, y son mayores en regiones más cálidas. Además de esos tres centros, se observaban capas finas de cargas, conocidas como capas de blindaje, en los bordes superior e inferior de la nube, formadas a partir de la captura de iones atmosféricos. Tales capas reducen parcialmente los campos internos de la nube, cuando son observados desde su exterior. Dentro de una nube de tormenta, el campo eléctrico puede alcanzar valores del orden de centenas de miles de voltios por metro. En el suelo, debajo de esas nubes y por influencia de ellas, el campo puede alcanzar cerca de 10.000 voltios por metro, valor 100 veces mayor que los de las zonas sin nubes.
Las nubes de tormenta aisladas pueden producir durante su existencia hasta algunas centenas de relámpagos. Generalmente, ocurren de uno a cuatro relámpagos hacia el suelo por minuto. La distancia media entre el lugar de caída de dos relámpagos de una misma nube es de 3km, y varía desde pocas centenas de metros a algunas decenas de kilómetros. Los relámpagos producidos por las nubes aisladas tienden a ocurrir hacia el final de la tarde, sin embargo en regiones montañosas, el periodo de máxima ocurrencia tiende a ser en el inicio de la tarde. Tanto las líneas de inestabilidad como los complejos convectivos pueden producir centenares de relámpagos por minuto, y en ese caso no hay horario de preferencia de ocurrencia: el máximo puede suceder a lo largo del día o también a la noche.
Las nubes de tormenta generan varios tipos de relámpagos. Los más estudiados, por su poder de destrucción, son los de la nube hacia el suelo, divididos en tres tipos basados en la señal de la carga transferida: negativos, positivos y bipolares (Figura 10). En los primeros, las cargas parten de la región de cargas negativas de la nube. En los positivos, parten de la región de cargas positivas, generalmente de la más próxima al tope de la nube. Finalmente los bipolares, que presentan cargas de ambas señales, nacen en las regiones de separación de cargas dentro de la nube.
La mayor parte de los relámpagos de la nube hacia el suelo son negativos: 90%, en promedio. Los restantes son casi siempre positivos, ya que los bipolares no pasan del 1%. Mientras tanto, la frecuencia de los relámpagos positivos (Figura 11) parece ser muy variable, y en algunos casos hasta superior a los negativos. Varios factores parecen influir para ese aumento del porcentual, entre ellos la altitud de las cargas positivas junto al tope de la nube y la variación, con la altitud, de la velocidad horizontal de los vientos.
El primer factor depende de la latitud geográfica y de la estación del año; en cuanto al segundo depende de las condiciones meteorológicas. Cuanto menor es la latitud geográfica, o sea, cuanto más cerca del Ecuador esté la nube, mayor será generalmente la altitud de las cargas positivas, lo que hace más difícil que el relámpago positivo alcance el suelo. Lo mismo tiende a ocurrir en el verano, cuando las nubes son generalmente más altas. En el caso de los vientos, cuanto mayor es la variación de la velocidad con la altitud, mayor será el desplazamiento de las cargas positivas respecto a las negativas, “desobstruyendo” el camino que los relámpagos positivos recorren para alcanzar el suelo. Los dos factores confirmados por investigaciones realizadas en Japón, indicaron que la mayor ocurrencia de relámpagos positivos es durante el invierno y en períodos con fuertes variaciones de los vientos con la altitud. Tales relámpagos también pueden predominar en la cumbre de las montañas muy altas, en regiones no tropicales. En esos casos, la carga negativa puede estar en contacto directo con el suelo, fluyendo hacia él y facilitando así la ocurrencia del relámpago positivo.
Estudios recientes han mostrado también que la frecuencia de los relámpagos positivos puede variar mucho en sistemas meteorológicos como los “frentes” o los complejos convectivos. En tales condiciones, pueden surgir amplias regiones de cargas positivas, en la altura del tope de las nubes, desplazadas centenas de kilómetros en relación con las cargas negativas, creando distintas regiones de ocurrencia de relámpagos positivos y negativos.
LAS “TORMENTAS POSITIVAS”
¿Cuáles serían las características de los relámpagos en el Brasil? Para responder esta pregunta, el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (INPE) y la Compañía Energética de Minas Gerais (CEMIG) se encuentran, desde fines de los años 80, realizando investigaciones conjuntas en la región sudeste del Brasil. El INPE ha realizado mediciones con globos estratosféricos y a partir de 1995, también en la superficie, y el CEMIG mantiene una red de antenas en la superficie y una torre de captación de descargas. Los resultados de esos estudios indican que, en diversos aspectos, las características de los relámpagos en el Brasil parecen ser diferentes de las observadas en otras regiones del mundo.
En particular, las investigaciones indicaron que el porcentaje de relámpagos positivos en el sudeste brasileño depende en gran parte de las condiciones meteorológicas de mesoescala. Se cree que eso también es válido para la región sur. Pero en el norte y nordeste las características de los relámpagos pueden ser muy distintas, ya que las condiciones meteorológicas son diferentes. Lamentablemente, no hay estudios sobre relámpagos en esas últimas regiones del país.
Tanto en verano como en invierno, durante las tormentas intensas asociadas a sistemas convectivos de mesoescala, el porcentaje de relámpagos positivos -en la región sudeste y probablemente en la región sur- parece ser mucho mayor que la media del 10%. En algunos casos, el número de relámpagos positivos supera al de los negativos: son las llamadas “tormentas positivas”. La primera indicación de que tales tormentas ocurren en el sudeste brasileño fue obtenida en diciembre de 1989, durante un vuelo del globo estratosférico en el estado de San Pablo.
Observaciones realizadas en Minas Gerais, en 1993, revelaron la ocurrencia de 18 tormentas positivas en el verano y cuatro en el invierno, con duración entre dos y seis horas, y un porcentaje medio de relámpagos positivos del 70%. La tormenta que presentó el mayor número absoluto de ese tipo de relámpagos ocurrió el 13 de marzo de aquel año, asociada a un sistema convectivo que se extendió a un área de 5.000km2; aunque los relámpagos se han concentrado básicamente en dos grandes áreas (Figura 12). Durante esa tormenta fue registrada una actividad máxima de 225 relámpagos positivos en cinco minutos.
Se están realizando estudios para determinar cuál es la frecuencia de las tormentas positivas a lo largo de las estaciones y de los años, y cuál su origen. Resultados preliminares, obtenidos a partir de imágenes de satélites meteorológicos y registros de radiosondas, indican que los relámpagos positivos no parten de las capas de cargas positivas localizadas junto al tope de las nubes de tormenta y desplazadas por vientos más fuertes en esa área más alta de la atmósfera. Entonces, ¿cuál es su origen?.
Mientras la respuesta todavía no está clara, los estudios realizados en el Brasil permiten formular una hipótesis para explicar el fenómeno, basada en la diferencia entre nubes Cb en tres regiones del mundo: sudeste del Brasil, Florida (Estados Unidos) y la costa de Japón (Figura 13). En el sudeste brasileño, esas nubes son más altas y tienen mayor volumen bajo el centro de carga negativa, localizado siempre en la faja de temperatura alrededor de -15°C. Eso dificulta la ocurrencia de relámpagos que vienen del Centro de carga positiva en el tope de la nube. También por eso, el segundo centro de carga positiva en la parte de abajo del Cb, tendería a ser mayor que en las demás regiones (Florida y Japón), aunque todavía menor que los centros principales. Ese factor, sumado a la existencia de un gran número de montañas en el sudeste brasileño, podría facilitar la ocurrencia de relámpagos positivos a partir de ese segundo centro de carga positiva.
En el caso de que el modelo fuera correcto, ese segundo Centro sería el origen de la mayoría de los relámpagos de las tormentas positivas brasileñas, pero la intensidad de esos rayos seria menor que la de aquellos que parten de los centros principales (tanto el negativo como el positivo>. Lo datos obtenidos en las investigaciones del INPE y del CEMIG muestran exactamente eso: en el sudeste brasileño el promedio de intensidad de los relámpagos negativos es que 40 kiloamperes (kA), o sea, cerca de mil veces mayor que la corriente de una ducha eléctrica. Para los positivos, es de apenas 20kA. En otras partes del mundo, como en los Estados Unidos y Europa, la intensidad de los relámpagos positivos es mayor de 40kA. Es importante resaltar que, aunque en el sudeste brasileño los relámpagos positivos son menos intensos, resultan igualmente destructivos, pues generalmente duran más tiempo, transfiriendo más energía al objeto alcanzado.
Para verificar si la hipótesis es válida, son necesarias más mediciones de relámpagos, si es posible complementadas con datos de radares meteorológicos, que permiten evaluar con mayor precisión la estructura y la dinámica de las tormentas positivas. Aún otras cuestiones necesitan ser respondidas. No se sabe, por ejemplo, si las tormentas positivas ocurren en todas las estaciones del año y todos los años, o si existen regiones donde son más frecuentes.
Es probable que, en los próximos años, sucedan otros descubrimientos inesperados, ya que en el Brasil los estudios sobre relámpagos son muy recientes. Entretanto, la propia existencia de esas tormentas positivas puede generar diversas consecuencias, como el perfeccionamiento de los actuales sistemas de protección y el aumento de la eficiencia en la producción agrícola. Estudios recientes, por ejemplo, destacan una fuerte relación entre los relámpagos positivos en sistemas convectivos de mesoescala y las lluvias de granizo, tan perjudiciales para la agricultura.
Conocer más ese tipo de tormenta también es importante por sus posibles efectos sobre los procesos climáticos globales, tema que despierta gran interés en la comunidad científica actual. Si se tiene en cuenta en cuenta que el Brasil es uno de los países con mayor incidencia de relámpagos en todo el mundo, tales tormentas tal vez influyen en la atmósfera sobre el Brasil tanto en términos eléctricos como químicos, lo que podría tener consecuencias para la atmósfera de todo el planeta.
Colaboraron en el estudio descripto en el presente articulo los investigadores Rosangela B.B. Gin, Odim Mendes Jr. e Rosa M. L. Roche, del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales.
Material traducido de Ciência Hoje, volumen 22, N9 732, octubre 7997
Osmar Pinto Jr.
