¿Que es un rayo? ¿Por qué hay tormentas eléctricas?

• Las nubes características de condiciones tormentosas se forman en ciertas condiciones atmosféricas, temperaturas elevadas y nivel elevado de humedad. Estas nubes de tipo cumulonimbos generalmente en forma de yunque, consisten en su parte inferior de gotas de agua y cristales de hielo en su parte superior.
• Bajo el efecto de fuertes corrientes ascendentes internas, se produce la separación de las cargas eléctricas de las moléculas de agua, resultando en una concentración de cargas positivas en la parte superior y cargas negativas en la parte inferior de estas nubes. Ocasionalmente, un bolsillo de cargas positivas se incluye en la base negativa.
• Una nube tormentosa forma así un dipolo largo y natural entre el suelo y la base de la nube. Bajo la influencia de la nube cargada negativamente en su base, el campo eléctrico atmosférico aumenta muy rápidamente alcanzando valores entre 10 y 15 kilovoltios por metros. Una descarga eléctrica al suelo suele ser inminente.
• La primera fase de un rayo implica unas descargas iniciales de baja luminosidad llamadas líderes descendentes o trazadores. Se forman en el centro de la nube y se mueven hacia el suelo a pasos de varias decenas de metros.
• El campo eléctrico atmosférico aumenta a medida que los líderes descendentes se acercan del suelo. La elevación muy importate del campo atmosférico induce una ionización natural y espontánea de cualquier punto alto (pilón, pararrayos,…). Durante esta ionización se observa ondas eléctricas azuladas. Ese efecto se llama el efecto corona. Efecto muy conocido de los navegantes que lo llama el fuego de San Elmo. Los montañistas también lo reconocen a su ruido muy característico para anunciar una tormenta, el ruido de un vuelo de “abejas”
• Tan pronto como el líder descendente se acerca al suelo a ionización del al efecto corona en las puntas se intensifica hasta convertirse en una descarga ascendente llamada líder o trazador ascendente que se desarrolla hacia la nube.
• Cuando un trazador o líder ascendente se junta con un líder o trazador descendente se forma un canal conductor que permite el flujo de una corriente de alta intensidad. Una descarga eléctrica ocurre caracterizado por el rayo y un ruido ensordecedor, el trueno.
• El rayo está formado de varias descargas sucesivas, todas siguiendo el mismo canal conductor, separadas por unas pocas centésimas de segundo.

¿Hay diferentes tipos de rayos?

• En climas templados como el nuestro, la gran mayoría (el 90%) de los rayos son descendentes negativos. Suele decir que la descarga se realiza desde la base de la nube a dirección del suelo. La base de la nube siendo cargada negativamente, el rayo es negativo.
• Ocasionalmente y generalmente solo durante el invierno, se observa el desarrollo de un líder descendente desde un bolsillo con cargas positivas de la base de la nube. Este tipo de rayo es un rayo descendente positivo.
• Cuando las condiciones del campo eléctrico lo permiten y solo cuando se trata de estructuras de gran altura (pico de montaña, torre de telecomunicaciones, edificio alto) puede suceder que un trazador ascendente se desarrolla espontáneamente hacia la nube, el rayo que sigue se llama ascendente.
• Estas descargas, casi siempre positivas, raramente negativas son generalmente muchas más intensa y por lo tanto muchas más destructivas que los rayos descendentes.

¿Cuántas las tormentas hay en el mundo ? ¿Cuál es la densidad de impacto de rayos?

• En el mundo se estima a 32 millones de rayos al año, es decir aproximadamente de 50 a 100 descargas eléctricas por segundo entre las nubes y el cielo.
• En 2016, los seguros estadounidenses evaluaron los gatos consecuentes a impactos de rayos a 825 millones de USD (más de 100,000 degastes) para viviendas particulares y 108 millones de USD para edificios no residenciales.
• Varias paginas web, como www.struckbylightning.org/news/dispIncidentdb.cfm están compilando una base de datos de los incidentes causados por este fenómeno meteorológico devastador, el rayo.
• Los degastes después de un impacto de rayo son muy importante. Lo explica las características técnicas de un rayo que son una intensidad muy alta (varios kA), y una forma de onda con un tiempo de subida muy corto generando voltajes extremadamente altos (corrientes transitorias de sobretensión). Por lo tanto según los datos normativos de un arco para un nivel 1, la tensión generada en una bajante de cobre de 30 x 2 mm (60 mm²) con una longitud de 50 m alcanzará hasta 10 megavoltios
• La densidad de rayos cambia de una región del mundo a otra. El desarrollo de las nubes de rayos (cumulonimbus) son favorecidas en zonas con fuetes variaciones de temperaturas entre el suelo (caliente y húmedo) y la parte más alta de la atmósfera (frío). Los rayos se concentran en zonas trópicales y se limitan a la temporada del verano en climas templados.
• En 2017, científicos establecieron que el lago Maracaibo en Venezuela es la zona la más tormentosa del mundo

¿Se nota una aumentación de las tormentas eléctricas?

• Los datos indican una aumentación de rayos
• Durante el verano de 2018, se contabilizaron en Francia más de 700 000 impactos de rayos,
• El 10 de Junio 2018, más de 77 000 descargas se contabilizaron en un solo día en Francia,
• De enero a septiembre 2018, fueron solo 30 días sin ningún impacto de rayos en Francia,
• Los científicos han publicado en la revista Nature un estudio que demuestra que demuestra una relación entre el calentamiento global del mundo y la densidad de rayos. Según este estudio, 1°C de temperatura promedio adicional se traduce en un aumento del 10% de las tormentas eléctricas.
• Otro equipo demostrado recientemente una relación entre la densidad de rayos y la polución del aire causada por el intenso tráfico marítimo en el estrecho de Malaca en el sudeste asiático. Al estudiar los 1.500 millones de rayos registrados entre 2006 y 2015 en esta región y en el tráfico de barcos, los investigadores establecieron que la contaminación del aire provoca una intensificación de la actividad de las tormentas. Una consecuencia poca conocida de la actividad humana sobre el clima.

¿Podríamos almacenar la corriente de un rayo como una energía renovable?

• El rayo podría ser una energía renovable muy atractiva, favoreciendo a los países emergentes de las regiones tropicales, zonas muy tormentosas.
• Hasta hoy, lo científicos no fueron capaz solucionar la problemáticas de recuperación y almacenamiento de la energía de un rayo.
• La primera dificultad es la gran dispersión geográfica de descargas de rayos en el suelo. Una área de un kilómetro cuadrado recibe en promedio solo una descarga / año (en Europa), hasta 30/50 descargas por año para las áreas las más tormentosas.
• La segunda dificultad es la capacidad de almacenar una corriente de alta intensidad con su forma de onda muy específica y su duración muy corta.
• Se están realizando estudios para tratar de canalizar la corriente a un solo punto (gracias al uso de láseres). Aun los resultados propuestos por la comunidad científica no son concluyentes.

Historia de la protección contra rayos

1753: Invención del pararrayos por Benjamin FRANKLIN. Fue el primero en demostrar la naturaleza eléctrica de los rayos con su ahora famoso “experimento de cometas”. Al mismo tiempo, en Francia, DALIBARD confirma esta hipótesis a Marly, con su experiencia de la punta metálica que se electrifica en tiempo tormentoso. Jacques de Romas también llega a esta conclusión con una cometa, diferente de la FRANKLIN, un cable de cobre se enrolla al alrededor de una cuerda que lo conecta al suelo.
Este descubrimiento genero rápidamente una moda científica extraordinaria para los conductores de rayos; Primero se instalaron en algunas iglesias, rápidamente en residencias privadas.

1880 : un físico belga, MELLSENS, defiende la protección de edificios colocando en el techo conductores metálicos conectados a varias puntas conectadas a tierra: fue el nacimiento de la jaula de Faraday.

1914: Primeros intentos de SZILLARD, de origen húngaro, y del francés, DOZÈRE para mejorar un pararrayo. Sus trabajos condujeron al diseño y la fabricación de un pararrayos radioactivo utilizando una fuente radiactiva al alrededor de la punta para mantener una ionización permanente

1985 : Por razones de seguridad pública está prohibida la fabricación e instalación de pararrayos radiactivos en 1980. Después de años de investigación y gracias a un mejor conocimiento de los fenómenos físicos de los rayos, se desarrolla una nueva tecnología ” Pararrayo con Dispositivo de Cebado” (PDC). Se trata de refuerzar la ionización de la punta gracias a un dispositivo eléctrico autónomo que no necesita cualquiera energía externa.

1995 : Publicación de la norma francesa NF C 17 102 para “Sistemas de protección contra rayos usando Pararrayos con Dispositivo de Cebado. Esta norma fue revisada en 2011 y traducida en más de veinte países, que también adoptará una norma específica para la protección contra el rayos, particularmente en España (UNE 21 186), Portugal (NP 4426), Rumania (I7), Argentina (IRAM 2426), Turquía, Angola,…

2015 : La Organización de Certificación americana Underwriter Laboratories (UL) certifica los pararrayos con dispositivo de cebado y propone servicios de inspección y certificación de conformidad para las instalaciones protegidas según la norma NFC 17 102.

2016 : La asociación “Asociación Internacional de Protección contra Rayos” (www.intlpa.org) enumera en su página web más de 680 000 instalaciones en todo el mundo protegidas con PDC

¿Cuáles son las medidas de seguridad contra rayos?

• Refugiarse preferentemente en un edificio o un coche,
• No sujetar objetos metálicos (paraguas, …)
• No utilizar equipos conectados a la red eléctrica
• Nunca refugiarse debajo un arbol o en una cueva en montaña,
• La posición de seguridad recomendada es quedarse quieto en cuclillas, con ambos pies en el suelo

¿Cómo proteger un edificio contra los rayos?

Un sistema de protección contra rayos consta de cuatro elementos.
• La protección directa o pararrayos para capturar los rayos y conducir la corriente a través de los conductores o bajantes hacia las puestas a tierra
• Protección indirecta con descargadores de sobretensiones para proteger los equipos eléctricos contra sobretensiones transitorias causadas por el rayo.
• La conexión equipotencial de todas las puestas a tierra del mismo edificio,
• La interconexión de todas las masas metálicas

¿Cuáles son los sistemas de protección contra los rayos? ¿Qué es un pararrayos?

Existen 4 tipos de pararrayos:
• El pararrayos con dispositivo de cebado existe desde 1985
• El pararrayos clásico llamado también punta Franklin en homenaje al trabajo de Benjamin Franklin y su experiencia de la cometa en el siglo 18
• La jaula de Faraday, sistema de protección basándose en los descubrimientos de Faraday y Mellsens en el siglo 19.
• Un sistema de cable tenso, ampliamente utilizado para la protección de líneas eléctricas aéreas (el cable fijo por encima de los cables conductores)

¿Cómo instalar un pararrayos ?

• Inicialmente se debe realizar un análisis de riesgo de rayos. Su objetivó es determinar la necesidad de protección. La conclusión de la evaluación de Riesgos especificará el nivel de protección (1 a 4)
• Estos estudios son realizados por las oficinas de ingeniería e diseño especializadas en protección contra el rayo. En Francia se nécessita una certificación específica llamada Qualifoudre.
• Un estudio técnico especificará el tipo, la cantidad y la ubicación de los pararrayos sobre la estructura.
• El pararrayos debe ser instalado en el punto el más alto del edificio a proteger.
• El pararrayos debe ser conectado a puestas a tierra, a través de un mínimo de dos bajantes.
• Usando un ohmímetro se mesura la resistencia de cada puesta a tierra
• La resistencia de cada puesta a tierra debe ser inferior a 10 ohmios por metros
• Todas la conexiones a tierra del sistema de protección contra rayos y la puesta a tierra eléctrica del edificio deben ser interconectada
• Se aconseja añadir contador de rayos al sistema de protección para mostrar cuántas veces la estrustura fue impactada.