El rayo es una poderosa descarga electrostática natural producida durante una tormenta eléctrica. La descarga eléctrica precipitada del rayo es acompañada por la emisión de luz (el relámpago). La electricidad (corriente eléctrica) que pasa a través de la atmósfera calienta y se expande rápidamente el aire, produciendo el ruido característico del trueno del relámpago.
Tanto los rayos como los relámpagos, que aunque nos lo parezca no significan lo mismo, son fenómenos meteorológicos consistentes en descargas eléctricas engendradas en el interior de un condensador natural que se propagan a través de un dieléctrico como es el aire -un dieléctrico es una sustancia que es mala conductora de la electricidad y que amortigua la fuerza de un campo eléctrico que la atraviese-.
Según el origen y destino de estas descargas en la atmósfera terrestre, se pueden clasificar en cuatro grupos:
• Descargas entre nube y tierra
• Descargas dentro de una misma nube (intranubes)
• Descargas entre una nube y otra nube (internubes)
• Descargas entre una nube y la ionosfera
De todos estos cuatro casos, el primero es el único en el que podemos hablar propiamente de rayo, ya que los restantes tres casos son los que se conocen y denominan como relámpagos. Por tanto, se define como rayo exclusivamente la descarga eléctrica que se produce entre una nube y la superficie de la tierra. Los relámpagos por su parte no conllevan ningún otro tipo de peligrosidad asociada para el hombre, a excepción del caso mencionado de aviones en vuelo, calculándose que la aparición de estas descargas entre nubes es del 80% mayor que la de los rayos, que se derivan hacia tierra.
Cómo se forma el relámpago
El primer proceso en la generación del relámpago es la separación de cargas positivas y negativas dentro de una nube. Los cristales de hielo dentro de las nubes cumulonimbus se frotan entre sí debido a las corrientes aéreas ascendentes fuertes en estas nubes, acumulando así una carga estática fuerte. Los cristales positivamente cargados tienden a ascender lo que hace que la capa superior de la nube acumule una carga estática positiva. Los cristales negativamente cargados y los granizos caen a las capas del centro y del fondo de la nube que acumula una carga estática negativa. Las nubes cumulonimbus que no producen suficientes cristales de hielo, en general, no pueden producir bastante electricidad estática para causar el rayo.
El relámpago puede también ocurrir como resultado de las erupciones volcánicas o de los fuegos violentos del bosque que generan el suficiente polvo para crear una carga estática.
El segundo proceso es la acumulación de cargas positivas en la tierra debajo de las nubes. La tierra normalmente se carga negativamente con respecto a la atmósfera . Pero como la tormenta eléctrica pasa sobre la tierra, las cargas negativas en el fondo de la nube cumulonimbus causan que las cargas positivas se reúnan en la superficie en un radio de varios kilómetros a la redonda y se concentren en objetos verticales como árboles y edificios altos.
El tercer proceso es la generación del relámpago. Cuando las cargas negativas y positivas se reúnen de esta manera, se produce una descarga eléctrica dentro de las nubes o entre las nubes y la tierra, produciendo el relámpago.
El proceso completo sería el siguiente:
1º. El aire caliente de las capas inferiores de la atmósfera tiende a subir y a medida que lo hace, al encontrarse con otras masas de aire más frío que la corriente ascendente, ésta se va enfriando y condensando en forma de minúsculas gotitas de agua que, bajo determinadas condiciones de verticalidad o convectividad, humedad, temperatura y disparo orográfico da lugar a enormes formaciones nubosas denominadas cumulonimbos, con forma de castillo (de ahí también el nombre de cumulus castellanus) o yunque (al expandirse horizontalmente la parte superior de la nube al aproximarse a la tropopausa), y que ahora se viene a denominar supercélula (K. A. Browning).
2º. Al exponerse al umbral de los 0º C y por debajo de esta temperatura de congelación, las gotas de agua comienzan a cristalizarse en hielo al tiempo que empiezan a darse las condiciones para que se puedan fraguar distintos fenómenos naturales ligados a los cumulonimbos que, además de precipitaciones intensas, son también los huracanes, tornados, granizadas, rayos, relámpagos y, por supuesto, los truenos que acompañan a los destellos luminosos. En el núcleo del cumulonimbo hidrometeoros de granizo y cristales de hielo empiezan a golpearse y colisionar entre sí y contra otras gotas de agua que, a pesar de estar sometidas a temperaturas de varios grados bajo cero no llegan a cristalizar, provocando que los hidrometeoros se carguen eléctricamente: las partículas más grandes se precipitan por gravedad hacia la base de la nube, cargándose negativamente, mientras que las más pequeñas —menos de 100 micrómetros— continúan ascendiendo hasta la cúpula del cumulonimbo, cargándose positivamente. Así es como adopta esa forma de pila eléctrica, donde el polo negativo se sitúa en la parte central y baja de la nube y el polo positivo en la parte más alta (dipolo tormentoso).
3º. A continuación el granizo precipitado se carga positivamente en su caída al llegar a la misma base de la nube, creando una pequeña zona de carga positiva sin neutralizar en la parte más inferior de la célula tormentosa, que da lugar al tripolo tormentoso, estructura fundamental para que se produzcan las descargas eléctricas. En palabras de E.N. Anagnostou y T.G. Chronis, un núcleo tormentoso típico tiene tres regiones distintivas de carga: una región superior cargada positivamente de –30º C, una negativa intermedia de unos –10º C y una mixta positiva y negativa en torno a la isoterma de 0º C.
En esta zona del cumulonimbo, entre esa pequeña carga positiva subyacente y la carga negativa inferior se produce una pequeña chispa que desencadena una descarga-guía que va progresando a través del aire de forma escalonada y con múltiples ramificaciones, que le dan al destello luminoso ese aspecto dentado y nérveo que nosotros podemos contemplar, rasgando el aire por la parte que ofrece menor resistencia. Por inducción eléctrica de la carga negativa de la nube, la superficie de la tierra, habitualmente con carga negativa, invierte su polaridad convirtiéndose en positiva, y esto hace que la descarga eléctrica que se dirige hacia el suelo bajo determinadas condiciones sea atraída por éste, dando lugar al rayo.
Pero no todos los rayos nacen necesariamente del seno de una tormenta. Las erupciones volcánicas, por ejemplo, provocan una importante fuente de calor atípica que al elevarse en el aire se expone a una rápida condensación, iniciando con ello el proceso generador del rayo.
Por último debemos decir que si las formaciones nubosas no van acompañadas de rayos o relámpagos, además de precipitaciones intensas en cualquiera de sus posibles estados (agua, nieve o granizo), no las podemos clasificar como tormentas.
También es importante saber que los rayos son un efecto natural que produce ozono, el hombre también puede producir ozono con un generador de ozono, (ozonizador) mediante la generación de una alta tensión electrica.
