El misterio de las centellas (1302)
Periódicamente escucho historias sobre centellas. ¿Existe realmente este fenómeno? ¿Podría una bola de plasma permanecer estable durante varios segundos, como han afirmado algunos investigadores?
Chris Sparrow
Toronto, Ontario Canadá
Los relámpagos esféricos pueden ser más exóticos que las chispas de los hornos microondas, pero la mayoría de los científicos están convencidos de que no son menos reales. Martin A. Uman, presidente del departamento de ingeniería informática eléctrica de la Universidad de Florida en Gainesville, explica:
«El rayo en forma de bola es un fenómeno bien documentado en el sentido de que ha sido visto y descrito consistentemente por personas de todos los ámbitos de la vida desde la época de los antiguos griegos. No existe una teoría aceptada sobre lo que lo causa. No necesariamente consiste de plasma; por ejemplo, un rayo esférico podría ser el resultado de un proceso quimioluminiscente. La literatura abunda en especulaciones sobre la física del rayo esférico».
Peter H. Handel, del departamento de física y astronomía de la Universidad de Missouri en St. Louis, proporcionó una descripción detallada y avanza en su modelo favorito de relámpagos en bola:
«Según las investigaciones estadísticas llevadas a cabo por J. R. McNally en 1960 (J. R. McNally, «Preliminary Report on Ball Lightning» en Proceedings of the Second Annual Meeting of the Division of Plasma Physics of the American Physical Society, Gatlinburg, No. 2AD5 [1960], Paper J-15, pp. 1AD25), el 5% de la población de la Tierra ha visto rayos en forma de bola. Este porcentaje es aproximadamente el mismo que la fracción de la población que ha visto un rayo ordinario a corta distancia: es decir, lo suficientemente cerca para ver el punto directo del impacto del rayo.
«Los relámpagos en forma de bola se vieron y describieron desde la antigüedad, a menudo por grupos de personas, y se registraron en muchos lugares. En general, se describen como una esfera luminosa, con mayor frecuencia del tamaño de la cabeza de un niño pequeño. Suelen aparecer durante las tormentas, a veces dentro de unos pocos segundos del relámpago, pero a veces sin conexión aparente con un rayo. En algunos casos, el relámpago en forma de bola aparece después de una tormenta, o incluso antes. Su vida útil varía ampliamente, desde unos pocos segundos hasta varios minutos; la duración promedio es aproximadamente 25 segundos. La vida útil de una centella tiende a aumentar con el tamaño y disminuir con el brillo. Las bolas que aparecen claramente de color naranja y azul parecen durar más que el promedio. Muchas de estas características generales se basan en el trabajo de A. I. Grigoriev, quien analizó más más de 10,000 casos de relámpagos esféricos (A. I. Grigoriev, «Statistical Analysis of the Ball Lightning Properties», en Science of Ball Lightning, edited by Y. H. Ohtsuki, World Scientific Publishing Co., Singapore, 1988, pp. 88AD134).
«Los relámpagos en forma de bola generalmente se mueven paralelos a la tierra, pero realizan saltos verticales. A veces desciende de las nubes, otras veces se materializa repentinamente en el interior o en el exterior o entra en una habitación a través de una ventana cerrada o abierta, a través de paredes delgadas no metálicas o cuando pasa a través de ventanas cerradas, la centella las daña con pequeños agujeros alrededor de un tercio de las veces. Las bolas no tienen ningún efecto de flotabilidad observable. Todos estos atributos llevaron al gran físico ruso Pyotr Kapitsa en 1955 a interpretar la centella como una descarga sin electrodos causada por ondas UHF estacionarias de origen desconocido presentes entre la tierra y la nube; las versiones anteriores de esta idea se remontan a la década de 1930.
«Desde entonces, los científicos han refinado la especulación de Kapitsa. La teoría de Maser-Soliton, que describí por primera vez en 1975 (P. H. Handel, «Maser Theory of Ball Lightning» en Bulletin of the American Physical Society Series II, Vol. 20 [1975], No. 26), es la versión actual del enfoque de descarga UHF. He estado dirigiendo una investigación sobre la Teoría Maser-Soliton en el Centro Científico Kurchatov en Moscú desde 1992. De acuerdo con esta teoría, las centellas al aire libre son causadas por un máser atmosférico – análogo a un láser, pero operando a una energía mucho menor – con un volumen del orden de muchos kilómetros cúbicos.
«En términos técnicos, el máser se genera por una inversión de población inducida en los niveles de energía de rotación de las moléculas de agua por el pulso de campo corto asociado con la racha de rayos. El gran volumen de aire que se ve afectado por el impacto hace que sea difícil para los fotones escapar antes de que provoquen «amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación» (el efecto máser). A menos que el volumen de aire sea muy grande o esté encerrado en una cavidad conductora (como es el caso de un rayo en forma de bola en aviones o submarinos y cierto grado también en interiores), las colisiones entre las moléculas consumirán toda la energía de la inversión de la población. Si el volumen es grande, el máser puede generar un campo eléctrico localizado o solitón que da lugar a la centella observada. Sin embargo, tal descarga aún no se ha creado en el laboratorio.
«La teoría de Maser-Soliton está respaldada por tres hechos bien conocidos. En primer lugar, nunca ocurre una centella en picos montañosos afilados, edificios de gran altura y otros puntos altos que atraen rayos y que los especialistas en electricidad atmosférica utilizan para la investigación de rayos. (El investigador de rayos Karl Berger me dijo que pasó su vida registrando y midiendo cientos de miles de descargas de rayos impactando su laboratorio en la cima del Monte Salvatore en Lugano, Italia, sin dejar rastro de un rayo en forma de bola). La configuración ha llevado a una frustración generalizada e incluso a un escepticismo sobre la realidad del fenómeno. Pero, de hecho, el pulso de campo del rayo que golpea los objetos altos y puntiagudos se localiza en un cono estrecho que encierra un volumen relativamente pequeño. Según la teoría de Maser-Soliton, este entorno excluye el efecto maser. Por otro lado, cuando un rayo golpea las llanuras, el pulso de campo resultante es enorme: unos 10 kilómetros de ancho y tres kilómetros de alto. Las centellas guardan así sus secretos: ¡visita al granjero y evita al científico!
«En segundo lugar, los relámpagos en forma de bola son inofensivos dentro de aviones y submarinos o en hogares que tienen un marco conductor. De nuevo, según la teoría de Maser-Soliton, la energía del máser en tales entornos se limita a unos 10 julios (en contraste con un límite de 109 a 1010 julios al aire libre), demasiado poco para ser peligroso para la vida».
«Y tercero, los relámpagos en forma de bola al aire libre a menudo terminan con una explosión violenta, que a veces causa grandes daños. La explosión es particularmente extraña porque desplaza violentamente los objetos conductores en un grado mayor que los dieléctricos. Por ejemplo, las cajas de conexiones eléctricas a veces se extraen del interior las paredes de las casas por rayos de bola al aire libre y arrojados en el medio de la calle. La teoría de Maser-Soliton predice que tales picos ocurrirían cuando la carga desaparece repentinamente. (Cuando la descarga que estaba consumiendo los fotones generados por el máser desaparece repentinamente, Estos fotones viven más tiempo y se multiplican instantáneamente, sin estar limitado por el efecto máser. Esta proliferación desencadena una avalancha instantánea aún mayor de fotones y un crecimiento exponencial prácticamente instantáneo del campo eléctrico. El aumento ocurre demasiado rápido para causar una falla eléctrica o calentamiento, pero podría causar «fuerzas ponderomotrices» muy grandes, efectos mecánicos que pueden desgarrar las objetos positivos que tienen constantes dieléctricas variadas)».
«Los experimentos pioneros de rayos UHF de descarga de bolas de Ohtsuki y Ofuruton en Japón (Y. H. Ohtsuki and H. Ofuruton, «Plasma Fireballs Formed by Microwave Interference In Air» en Nature Vol. 350 (1991), page 139) y lo mencionado anteriormente investigación en Kurchatov en Moscú (V. A. Zhil’tsov, C. A. Manykin, E. A. Petrenko; and A. A. Skovoroda, J. F. Leitner and P. H. Handel, «Spatially Localized Microwave Discharge in the Atmosphere», en JETP Vol. 81 [1995] ,pp. 1072-81) han ayudado a resolver el enigma las centellas. Ahora que parece que entendemos la verdadera naturaleza del rayo esférico, es particularmente lamentable que no haya fondos disponibles en los Estados Unidos para el estudio y la reproducción controlada de este fascinante fenómeno».
«Un punto focal para la investigación de relámpagos esféricos será el Quinto Simposio Internacional sobre relámpagos esféricos del 26 al 29 de agosto de 1997, organizado por Y. H. Ohtsuki y H. Ofuruton del Colegio Metropolitano de Ingeniería Aeronáutica de Tokio (para obtener información, envíe un correo electrónico a ofuruton@kouku-k.ac.jp). Seré el representante de Ball-Lightning de EE. UU. en el Comité Internacional; me pueden contactar en handel@jinx.umsl.edu»
ENLACES RELACIONADOS:
The evidence for ball lightning from AA&ES; magazine
Ball lightning discussion from USENET
La comunidad científica está cada vez más convencida de que la centella es un fenómeno real (aunque quedan algunos escépticos). Lo que podría causar una centella, por otro lado, es una fuente de controversia constante. Anteriormente, ejecutamos la teoría anterior. John Lowke, físico de plasma del Instituto de Tecnologías Industriales, CSIRO, en Australia, ofrece otra teoría sobre el fenómeno:
«Aunque hay al menos un libro de texto sobre relámpagos que cuestiona la existencia de los relámpagos en forma de bola y nunca he visto el fenómeno personalmente, siento que no hay duda de que existe el relámpago en forma de bola. He hablado con seis testigos oculares del fenómeno y creo que no hay dudas razonables sobre la autenticidad de sus observaciones Además, los informes son todos notablemente similares y tienen características comunes con los cientos de observaciones que aparecen en la literatura».
«El rayo en forma de bola se describe típicamente como una bola luminosa de uno a 25 centímetros de diámetro que tiene aproximadamente la intensidad de una lámpara incandescente de 20 vatios; el fenómeno generalmente ocurre después de un rayo. Casi siempre se mueve, tiene una velocidad máxima de unos tres metros por segundo y flota alrededor de un metro sobre el suelo. El movimiento puede ser contrario a la brisa predominante y puede cambiar de dirección erráticamente. El relámpago de bola puede durar hasta 10 segundos, después de lo cual la bola se apaga silenciosamente o con un estallido. Ha habido muchas observaciones de centellas dentro de casas e incluso en aviones. También ha habido una serie de observaciones de centellas que atraviesan ventanas de vidrio cerradas, sin daños aparentes en el vidrio. Por lo general, no hay una producción de calor perceptible, aunque una observación reciente informó que una tabla de madera estaba chamuscada. Varias personas han informado del olor a ozono y óxidos de nitrógeno asociados con las centellas y también estática en una radio de transistores.»
«Los científicos han luchado durante décadas para formular una explicación plausible de la existencia de una bola de plasma estable. Una bola de plasma caliente debería elevarse como un globo de aire caliente, pero las observaciones generalmente no informan sobre ese comportamiento. ¿Por qué se mueve una bola así? ¿Qué fuente de energía sostiene la centella, dado que se esperaría que esa bola disminuyese rápidamente en intensidad?»
«Ha habido cientos de artículos, y al menos tres libros, que tratan sobre el rayo esférico. La mayoría de las teorías plantean más preguntas de las que pretenden resolver. Probablemente la teoría más famosa la propuso el premio Nobel ruso Pyotr Kapitsa, quien afirmó que el rayo esférico es causada por una onda estacionaria de radiación electromagnética. Pero, ¿por qué debería haber una onda estacionaria de radiación electromagnética? Otras teorías afirman una variedad de fuentes de energía para los relámpagos en forma de bola, incluida la energía atómica, la antimateria, el material en llamas o el campo eléctrico de una nube».
«No existe una teoría generalmente aceptada del rayo esférico. Tengo mi propia teoría, publicada en el Journal of Physics D: Applied Physics, («A Theory of Ball Lightning as an Electric Discharge» en Vol. 29, No. 5, páginas 1237-1244; mayo de 1996). Propongo que la centella es alimentada por el campo eléctrico asociado con cargas dispersas en la tierra después de un rayo. El movimiento de la bola es controlado por la velocidad de la carga eléctrica cuando se dispersa en el suelo después del período inicial de «ruptura» eléctrica que ocurre en el momento del golpe. En mi artículo, sugiero que esta descarga es similar a una descarga de corona (como ocurre alrededor de los transformadores de alto voltaje) y consiste en una sucesión de pulsos eléctricos que tienen lugar en una escala de tiempo de microsegundos».
https://web.archive.org/web/20001018124937/http://www.sciam.com/askexpert/physics/physics30.html