La ciencia de los rayos o relámpagos

Los rayos o relámpagos producen fertilizante para las plantas.

Echemos un vistazo a cómo inicia un relámpago. La comprensión que los científicos tienen sobre el proceso todavía es incompleto en algunos aspectos, pero tenemos una idea general relativamente buena. Dentro de una nube de tormenta, las temperaturas frías y las corrientes de aire ascendentes proporcionan las condiciones perfectas para la generación de rayos. Pequeñas gotas de agua súper enfriadas son llevadas hacia arriba en la nube por las corrientes ascendentes, junto con pequeños cristales de hielo. Las gotas de granizo fino más denso (llamado graupel) son comparativamente inmóviles o se mueven hacia abajo.

El movimiento opuesto de los cristales de hielo y el graupel en la nube inevitablemente provoca colisiones. Durante estas colisiones, hay electrones que se transfieren entre ambos. Como resultado, los cristales de hielo y las gotas de agua súper enfriadas se cargan positivamente y el graupel se carga negativamente. Con los cristales de hielo acumulándose arriba y el graupel acumulándose abajo, muy pronto se acumula una diferencia de carga eléctrica entre la parte superior e inferior de la nube. La parte superior de la nube se carga positivamente, mientras que el centro y la base se cargan negativamente.

No solo la nube se altera con este proceso. La acumulación de carga negativa en la base de la nube repele a los electrones que hay debajo de ella en el suelo. Eventualmente, la atracción entre la base con carga negativa y la tierra con carga positiva es lo suficientemente grande como para que una corriente de electrones salte desde la nube a aproximadamente 400,000 kilómetros por hora - un rayo.

Un rayo de nube a tierra, los rayos que caen al suelo, es solo uno de los posibles resultados del desequilibrio de carga en las nubes de tormenta. Los relámpagos también pueden saltar entre las regiones cargadas dentro de las mismas nubes sin tener llegar al suelo o saltar entre nubes separadas.

Además de ser rápidos, los rayos pueden calentar el aire circundante a una temperatura increíblemente alta. Se estima que la temperatura del aire a través del cual pasa el rayo puede alcanzar hasta 30,000˚C, significativamente más caliente que la superficie del sol. Es esta temperatura tan alta la que causa el trueno que acompaña a los rayos. El calentamiento del aire cercano hace que se expanda rápidamente pero luego se enfría y se contrae. Esto crea la onda de choque sónica a la que nos referimos como trueno.

Debido a que el sonido del trueno viaja a una velocidad mucho más lenta que el relámpago, puedes usarlo para estimar la distancia que estás de un rayo. El sonido viaja a aproximadamente 343 metros por segundo en el aire, por lo que el sonido del trueno recorre aproximadamente 1 kilómetro en 3 segundos. Si puedes ver el rayo, ¡puedes calcular cuán lejos está la tormenta!

Nuestra discusión hasta ahora se ha centrado en la física, pero también hay algo de química interesante en las tormentas eléctricas. Si alguna vez has estado convencido de que puedes oler que viene una tormenta, no estás equivocado. El olor extrañamente dulce y picante que a veces precede a una tormenta es el del ozono. Los relámpagos dividen las moléculas de oxígeno diatómico en la atmósfera en átomos de oxígeno individuales. Estos pueden combinarse con otras moléculas de oxígeno para formar ozono.

El tinte azul-violeta que los rayos toman a veces es consecuencia de la ionización de moléculas en el aire. En particular, las emisiones de átomos de nitrógeno y átomos de hidrógeno excitados (este último a partir del vapor de agua en el aire) son las que dan como resultado estos colores.

El nitrógeno también está involucrado en la química adicional del rayo. A las altas temperaturas que generan los rayos, hay suficiente energía para que el nitrógeno y el oxígeno del aire se combinen formando óxidos de nitrógeno. A su vez, estos óxidos de nitrógeno pueden disolverse en el agua de lluvia y formar nitratos, que son importantes para el crecimiento de las plantas. El proceso de nitrógeno generalmente no reactivo que se convierte en nitratos que las plantas pueden usar se denomina "fijación de nitrógeno". Los rayo producen hasta 3-10 teragramos de nitrógeno fijados por año (en comparación con 100-300 teragramos fijados por bacterias).

Ese no es el final de los procesos que pueden desencadenar los rayos. Investigaciones recientes han demostrado que los rayos gamma liberados por los rayos pueden provocar reacciones nucleares a pequeña escala en la atmósfera. Este proceso natural puede generar diferentes isótopos de nitrógeno, oxígeno y carbono.