Teoría de la protección contra rayos

Formación de tormentas

Para que se forme una tormenta es necesario que masas de aire caliente con un determinado grado de humedad asciendan a grandes alturas. Este ascenso puede producirse de tres maneras:

1) En las tormentas de calor el suelo se calienta localmente por una irradiación solar intensiva. Las capas de aire cercanas al suelo se calientan y ascienden.
2) En los frentes tormentosos el frente frío se introduce bajo el aire caliente y lo empuja hacia arriba.
3) En las tormentas orográficas el aire caliente cercano al suelo es empujado hacia arriba al pasar por terreno ascendente.

 

El ascenso vertical de las masas de aire es potenciado adicionalmente por una serie de otros efectos físicos.
El aire en ascenso se enfría hasta alcanzar la temperatura de saturación del vapor. Entonces se forman gotas de agua y, por consiguiente, nubes. El proceso de condensación despide calor que recalienta el aire, aligerándolo de modo que siga ascendiendo. Al llegar a una temperatura de 0º, las gotas empiezan a congelarse. En este proceso nuevamente se despide calor, repitiéndose el calentamiento y ascenso del aire.
Así se forman mangas de corriente con velocidades verticales de hasta unos 100 km/h, que producen torres de nubes cumulus con forma de yunque, que típicamente alcanzan alturas de 5 – 12 km y diámetros entre 5 y 10 km.
Debido a unos procesos electrostáticos de separación de carga, p. ej. por fricción y erosión superficial, se cargan las gotas de agua y partículas de hielo dentro de la nube. Las partículas con carga positiva suelen ser más ligeras que las de carga negativa, pues su superficie de ataque para la corriente ascendente es grande en relación con su peso. Así, la corriente vertical consigue una separación de carga de gran superficie: en la parte superior de la nube de tormenta se acumulan las partículas con carga positiva (sobre todo, partículas de hielo), mientras que abajo se acumulan las de carga negativa (mayormente gotas de agua). En la base de la nube se encuentra otro centro de carga positiva, que nace probablemente de la corona de carga positiva emitida por las puntas del suelo, p. ej. de plantas, debajo de la nube a consecuencia del fuerte campo eléctrico en el suelo…

En términos electrofísicos la tormenta es un generador electrostático gigante con gotas de agua y partículas de hielo como portadores de carga, con la corriente de aire ascendente como transportador de carga y con el sol como fuente de energía que con sus rayos calienta las capas de aire próximas al suelo y evapora el agua para suministrar humedad.

La configuración de nubes de una tormenta suele contener varias células de tormenta con diámetros de varios kilómetros y con un período de actividad de unos 30 minutos durante el cual cada una genera entre 2 y 4 rayos por minuto.

Tipos de rayo

Las densidades de carga de espacio locales de una célula de tormenta son muy dispares. Cuando a consecuencia de una casual concentración de carga de espacio la intensidad de campo local alcanza valores de varios cientos de kV/m, pueden formarse, a partir de gotas de agua o partículas de hielo, los llamados rayos “leader”, que inician una descarga de chispas de relámpago. Los rayos nube a nube producen una compensación entre centros de carga positivos y negativos dentro de la nube. Los rayos nube a tierra (rayos descendentes) neutralizan las cargas de la nube y las cargas inducidas en la superficie terrestre.
Los rayos nube a tierra se reconocen por las ramificaciones de los rayos leader dirigidas al suelo. Los más frecuentes son los rayos nube a tierra negativos en los que un canal de carga negativa procedente de la descarga de la nube se desplaza desde la nube de tormenta hacia el suelo. El rayo leader tiene una velocidad de avance de 300 km/s. Cuando el rayo leader se ha acercado a una distancia de 10 a 100 m de la tierra la intensidad de campo eléctrico en las puntas de los árboles o en los frontones de los edificios cercanos a la cabeza del rayo leader aumenta tanto que sobrepasa la resistencia eléctrica del aire, de modo que desde estas puntas empiezan a partir descargas de captura de longitudes de entre 10 y varios cientos de metros directamente hacia el rayo leader hasta chocar con la cabeza de éste. En este aspecto hay diferencias entre el sistema tradicional y el sistema activo, generando el sistema activo una descarga de captura mucho más larga, por lo que atrapa el rayo antes y lo descarga con seguridad.
El canal de chispas generado por el rayo leader es calentado por el rayo principal a temperaturas de decenas de miles de centígrados. El trueno es provocado por la explosión del canal de chispas a consecuencia de su sobrepresión.
Desde picos de montaña con objetos altos como, p. ej., torres de antena, chimeneas y generadores eólicos pueden producirse rayos tierra a nube (rayos ascendentes) con ramificaciones dirigidas hacia la nube.
En este caso avanza un rayo leader de la tierra a la nube.

Para los objetos afectados por el impacto, los rayos nube a tierra tienen más fuerza que los rayos tierra a nube. Por este motivo, las medidas de protección contra rayos se diseñan para las condiciones de rayos nube a tierra. En la medición del riesgo de equipos eléctricos y electrónicos de objetos volantes hay que considerar los rayos nube a nube debido a los campos de impulso electromagnéticos (LEMPs) que emiten.

Frecuencia de rayos

En toda la Tierra hay activos permanentemente entre 2000 y 3000 tormentas, es decir, se producen diariamente de 10 a 30 millones de rayos y más de 100 rayos por segundo. Sólo el 10% de los rayos impactan en el suelo. En el lugar del impacto pueden ocasionarse temperaturas de varios miles de centígrados.

Daños por rayos

El impacto de un rayo puede dañar aparatos eléctricos y ordenadores y provocar incendios en edificios y bosques. Muchos edificios son equipados para su protección con instalaciones pararrayos, aunque estas instalaciones no son expresamente exigidas por las aseguradoras. Su eficacia depende, sobre todo, de una toma de tierra adecuada.

 

Fuente: Handbuch für Blitzschutz und Erdung, edición 2005

Más información sobre la protección contra rayos se encuentra en:

http://de.wikipedia.org/wiki/Blitzschutz