Diversión como un relámpago desgarrando nubes negras y destellos solo por un momento; la vivacidad brilla como el día y llena el alma con una serenidad fuerte y constante "
- Joseph Addison , El espectador
Uno de los fenómenos más llamativos que ocurren en nuestra atmósfera son los rayos. En el video, puede ver en cámara lenta cómo, de un solo golpe entre las nubes y la superficie de la tierra, se produce un intercambio de electrones en una cantidad de aproximadamente 100,000,000,000,000,000,000.
¿Cómo sucede esto?
Recuerde que cada átomo en el universo, incluidos los átomos en nuestra atmósfera, consiste en un núcleo con carga positiva y un montón de electrones con carga negativa. Por lo general, consideramos átomos neutros en los que el número de electrones corresponde al número de protones en cada núcleo, pero este no es siempre el caso.
Muy a menudo, un átomo es energéticamente preferible para ionizarse, es decir, recoger o perder el (los) electrón (es). A veces, un ejemplo de varios iones es algo como la sal de mesa.
Si puede separar estos iones, creará una separación de cargas, lo que provocará la aparición de voltaje. Cuando el voltaje, también conocido como la
diferencia en los potenciales eléctricos , entre dos secciones se vuelve demasiado grande, incluso si solo hay aire entre ellas, se
convierte espontáneamente en un conductor , y se ve un rayo, ¡que es un intercambio rápido de cargas!
Usted conoce el rayo que viaja una gran distancia cuando la carga se transfiere desde las nubes de tormenta hasta la superficie de la Tierra. Pero, como sucedió con la erupción del volcán Eyjafjädlajökull, a menudo las erupciones volcánicas también conducen a la aparición de rayos, llamados
tormentas eléctricas sucias o relámpagos volcánicos.
Con los años, se han recogido varias fotografías impresionantes de rayos volcánicos. Mi favorito, tal vez, será una foto de la erupción de Eyyafyadlayyokyudlya tomada desde un helicóptero.
Históricamente, fue muy difícil capturar los momentos de relámpagos volcánicos, pero aun así logramos tomar esas fotos muchas veces para diferentes volcanes.
Por ejemplo, aquí hay fotos del volcán Chaiten chileno tomadas durante su erupción en 2008, ¡la primera en 9,000 años!
Increíblemente activo en la historia reciente, el volcán japonés
Sakurajima , que ha estado en erupción casi continuamente desde 1955. En 1960, se fundó un
observatorio volcánico para observarlo, y fue testigo de la aparición repetida de rayos, incluso en 1988.
¡Incluso los relámpagos fueron capturados en la película durante la
erupción del Vesubio en 1944 !
Me gustaría contar en detalle cómo funcionan los rayos volcánicos, pero, francamente, no lo sabemos al 100%. Este problema aún se
está estudiando activamente .
Pero como físico teórico, puedo esbozar muy bien la imagen general de lo que sucede exactamente con una alta probabilidad.
Paso 1: la mayoría de los átomos son neutros. Pero en presencia de grandes volúmenes de energía libre, no hay problema en eliminar los electrones de algunos de los átomos que los retienen muy poco. Al mismo tiempo, estos electrones serán capturados por otros átomos afectados (paso 2).
No hay problemas con esta parte, ¡estamos hablando de un volcán!
Yasur - un volcán activo en la isla de Tanna (Vanuatu), 2010A temperaturas del orden de 1500 K, realmente no habrá una falta de energía para eliminar los electrones de algunos átomos. Los electrones noqueados captarán otros átomos, lo que creará una gran cantidad de iones positivos y negativos.
El momento clave y necesario es la separación de las cargas negativas y positivas (paso 3). Debe separar muchos iones y separarlos a una distancia suficientemente grande para lograr una diferencia potencial que pueda causar un rayo (paso 4). Si podemos hacer esto, podemos crear un rayo volcánico.
¿Cómo separamos estos cargos? Recuerde que tenemos un montón de átomos ionizados, tanto cargados positiva como negativamente, en un medio caliente y turbulento. Varios elementos aparecen en él, surgiendo de las entrañas de la tierra.
Se puede notar de inmediato que estos elementos difieren entre sí tanto en masa como en radio. Todos ellos deben tener una temperatura alta, y después de haber escapado de la boca del volcán, su temperatura debería caer. Y esto es muy importante para las velocidades de los átomos / iones en cuestión.
En promedio, los átomos e iones que vuelan de un volcán primero se mueven más rápido, luego se enfrían y comienzan a moverse más lentamente.
Esto en sí mismo no significa mucho, pero entran en juego dos factores importantes que facilitan la separación de iones cargados positiva y negativamente. En primer lugar, ¡estos iones son muy diferentes en masa!
¡Cuanto mayor es la masa atómica de un elemento, más lento se aleja, incluso si su temperatura es comparable a la de un elemento más ligero! Mucho de esto se deduce de esto, incluido el hecho de que los iones pesados tienen más inercia y les es más difícil cambiar el impulso. Entonces, estos iones pesados que se mueven lentamente se moverán de manera bastante diferente de los iones rápidos y ligeros. ¡Además, esta posición se mantendrá a diferentes temperaturas!
El segundo factor muy importante que facilita la separación de iones es la gran diferencia de tamaño y, por lo tanto, en las secciones transversales entre iones positivos y negativos.
Por supuesto, diferentes elementos tienen diferentes tamaños. Pero los iones se comportan más radicalmente. Veamos cómo exactamente.
Por lo general, los iones con carga negativa son enormes, ¡y los iones con carga positiva son pequeños! Por qué Si coloca más electrones en un átomo, se repelerán entre sí, y el núcleo (que tendrá menos protones que electrones) no podrá retener electrones en un espacio inherente a un átomo neutro, por lo que el átomo crece en tamaño. Por otro lado, para obtener un ion con carga positiva, ¡debes eliminar los electrones del átomo, y el núcleo (en el que hay más protones que electrones) retiene los electrones de manera más compacta!
Esto significa que la sección transversal de los iones negativos será mayor que la sección transversal de los iones positivos y, por lo tanto, se comportarán de manera completamente diferente.
Si combina todos estos hechos: iones de diferentes masas, moviéndose con diferentes velocidades promedio y teniendo diferentes secciones en un medio con un gradiente de temperatura, ¡y aquí está la separación de iones! ¿Y qué obtenemos como resultado?
Rayo volcánico! Todas las fotos se tomaron en Chile, en junio de 2011. Estas son una de las fotografías más nuevas y hermosas de los rayos volcánicos. ¡Disfrútalo!
¡Como beneficio adicional en Google+, puede
ver el álbum completo de fotos de volcanes y relámpagos volcánicos!