Descargas eléctricas atmosféricas. Origen, impactos y sistemas de protección

Las descargas atmosféricas son uno de los fenómenos más imponentes de la naturaleza, por lo cual, desde épocas muy antiguas nuestros ancestros, maravillados con este fenómeno, asociaron su origen a una expresión del poder de las deidades. Miles de años más tarde, el hombre ha podido desentrañar los procesos físicos que originan este fenómeno natural, lo cual ha permitido diseñar sistemas que mitiguen sus impactos.

* Este artículo fue publicado en la Revista Geociencias SURA | Edición 5 | Septiembre de 2019.

 

A lo largo de la historia de la humanidad, diferentes culturas han atribuido las descargas eléctricas atmosféricas a manifestaciones de ira o poder de sus respectivas deidades. Este es el caso, por ejemplo, de los antiguos griegos, vikingos, budistas y de algunas comunidades indígenas ancestrales, quienes asociaron este tipo de fenómenos a castigos divinos enviados por Zeus, Thor, Buda o ciertas figuras míticas.

No fue sino hasta la segunda mitad del siglo XVIII que, gracias al trabajo de Benjamin Franklin, se pudo dar una explicación física a este fenómeno, que tiene el potencial de afectar bienes materiales y ocasionar la pérdida de vidas humanas.

 

¿Cuál es el origen de las descargas eléctricas?

Las descargas eléctricas generadas en la atmósfera terrestre pueden ser causadas a partir de erupciones volcánicas, incendios forestales extremadamente intensos, tormentas de nieve o, incluso, tormentas de polvo. Sin embargo, la mayoría de estos fenómenos se producen en las nubes cumulonimbus, conocidas también como nubes de tormenta. 

Este tipo de nubes son las causantes de muchos de los fenómenos naturales de tipo atmosférico que representan una amenaza para bienes materiales y para la vida de personas y animales. Huracanes, tornados, lluvias torrenciales, granizadas y descargas eléctricas tienen su origen en las nubes de tormenta, que se caracterizan por tener un gran desarrollo vertical.

Las nubes cumulonimbus presentan fuertes corrientes de vientos ascendentes y descendentes en su interior, originados por las diferencias de temperatura entre la superficie terrestre y la alta atmósfera. Estas corrientes tienen la capacidad de mover a gran velocidad las partículas de hielo, nieve y gotas de agua contenidas dentro de la estructura de la nube, conocidas también como hidrometeoros. 

Los hidrometeoros se mueven caóticamente al interior de la nube, colisionando entre sí, lo que hace que se carguen eléctricamente, como explica el Ph. D. Silverio Visacro, profesor y jefe del Centro de Investigaciones de Descargas Atmosféricas de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG) de Brasil. Durante estas colisiones, las partículas más grandes se cargan negativamente y, por su tamaño, permanecen en la base de la nube debido a la fuerza de gravedad, mientras que las partículas más pequeñas se cargan positivamente y permanecen en las capas más altas de la nube. 

Esta distribución de cargas hace que la parte inferior de la nube quede cargada negativamente y, la parte superior, positivamente. Por otra parte, la superficie de la Tierra cuenta con una carga ligeramente negativa. Sin embargo, cuando una nube de tormenta se forma, la carga negativa en la base de la nube es lo suficientemente grande para repeler las cargas negativas que se encuentran en el suelo. 

Por lo tanto, el suelo y cualquier objeto que esté debajo o cerca de la tormenta se carga positivamente, generando un campo eléctrico que es el principio para que se genere la descarga. Dadas las condiciones descritas, el siguiente paso necesario para generar una descarga eléctrica es establecer un canal de conexión entre las cargas opuestas, pues el aire es un mal conductor eléctrico. Sin embargo, cuando la diferencia entre las cargas opuestas es muy grande, este potencial vence la resistencia del aire que comienza a cargarse eléctricamente mediante un proceso conocido como ionización.

Durante el proceso de ionización, las cargas negativas, buscando establecer un canal de conexión con las cargas positivas, rompen la capacidad aislante del aire y comienzan a fluir libremente, formando ramificaciones y generando una ruta principal de paso en un proceso conocido como stepped leader, en inglés. 

Cuando la ruta principal de paso se encuentra a unos 50 metros de establecer conexión con las cargas positivas, estas últimas son atraídas y vencen, igualmente, la resistencia del aire, estableciendo el canal de conexión y dando lugar a la descarga eléctrica, la cual es también conocida como corriente de retorno. 

Puede ocurrir que después de la descarga eléctrica principal o corriente de retorno queden excesos de cargas negativas en la nube, las cuales fluyen por el mismo canal establecido inicialmente, generando una segunda, tercera o cuarta descarga consecutiva, dependiendo del exceso de cargas en la nube. En estos casos no se observan ramificaciones durante el proceso.

Conceptos claves para entender el fenómeno

• Rayo: nombre comúnmente asignado a las descargas eléctricas atmosféricas.
• Relámpago: se refiere a la energía visible asociada a la descarga eléctrica atmosférica.
• Nivel ceráunico o nivel ceráuneo: hace referencia al número de días con tormentas al año en determinada región geográfica. Es utilizado donde no hay disponibilidad de mediciones directas de las descargas directas a tierra. 
• Trueno: es el sonido causado por la descarga eléctrica atmosférica. Se da como consecuencia del calentamiento del aire circundante al canal de descarga.

 

¿Cuáles son los principales tipos de descargas atmosféricas?

Nube-ionosfera 

Estudios realizados en las décadas de los ochenta y noventa permitieron identificar que existe un rango de descargas atmosféricas que ocurren desde la parte superior de las nubes cumulonimbus hacia la ionosfera. Esta es una capa de la atmósfera terrestre que se extiende entre los 80 y los 500 kilómetros de altitud y se caracteriza por tener grandes procesos de ionización que permiten la concentración de electrones libres.

Intranubes 

Son el tipo de descargas eléctricas más comunes en la atmósfera. Ocurren entre dos cargas opuestas en la misma nube. Aunque generalmente se presentan dentro de los límites físicos de esta, también es posible que algunas veces se salgan de su entorno; es ahí cuando se puede apreciar la ramificación del rayo, tal y como se observa en las descargas nube-atmósfera.

Nube-nube 

Se presenta cuando hay descarga eléctrica entre dos cargas eléctricas opuestas, presentes en dos nubes que se encuentran a una determinada distancia.

Nube-tierra 

Se presentan cuando hay unas transferencias de cargas eléctricas entre la atmósfera y la tierra. La mayoría de estas descargas se presentan desde las nubes hacia la tierra (descargas descendentes), pero también es posible que se presenten desde la tierra hacia las nubes (descargas ascendentes). Aunque las descargas nube-tierra no son las más comunes, sí representan un mayor peligro para las personas y los bienes materiales, respecto a los demás tipos de descargas.

 

“La distribución geográfica de las descargas nube-tierra está muy ligada a la orografía y a la dinámica local de tempestades. Sin embargo, las regiones tropicales se caracterizan por una mayor frecuencia de descargas descendentes, mientras que en la zonas extratropicales, con menores temperaturas, se presentan más descargas ascendentes que en el trópico”. 

Ph. D. Silverio Visacro, experto en descargas eléctricas atmosféricas y profesor investigador de la Universidad Federal de Minas Gerais, Brasil.

 

¿Cuál es la distribución global de las descargas eléctricas? 

Si bien existen varios instrumentos de medición para determinar la localización de una descarga eléctrica atmosférica, los avances recientes en sensores remotos como los satélites han ampliado el espectro para determinar mejor la distribución global de este fenómeno. 

Los sensores satelitales detectan la actividad eléctrica en la parte superior de la nube a partir de sensores ópticos o de temperatura, los cuales miden las descargas internas de las nubes. Sin embargo, tienen la desventaja de no detectar las descargas tipo nube-tierra. Para este último tipo de descargas existen otros instrumentos más precisos como dispositivos electromecánicos, como explica el Ph.D. Silverio Visacro.

A partir de los registros de los sensores satelitales, es posible concluir que las descargas eléctricas se presentan en cualquier lugar de la Tierra. Sin embargo, las zonas donde se concentra la mayor densidad de descargas se localizan en la región tropical, comprendida entre los trópicos de Cáncer y Capricornio. 

Esta región presenta una mayor exposición a la radiación solar respecto al resto del globo terrestre, por lo cual su temperatura superficial es mayor. Esto marca una alta diferencia de temperaturas con la alta atmósfera que favorece los procesos convectivos que dan origen a las tormentas eléctricas.

A pesar de que las zonas ubicadas en el trópico presentan una mayor cantidad de descargas eléctricas atmosféricas respecto a la distribución global, existen otros factores adicionales —como la topografía regional, la forma y la extensión del litoral o las líneas costeras y la dinámica de las lluvias locales— que inciden en que dentro de las zonas ubicadas en el trópico haya regiones con mayor densidad de descargas que otras.

Un ejemplo de los efectos locales sobre la densidad de descargas eléctricas se presenta en la confluencia del río Catatumbo con el lago de Maracaibo, en Venezuela, el cual es conocido como uno de los puntos geográficos donde se registra más actividad, con aproximadamente 250 relámpagos por kilómetro cuadrado cada año, razón por la cual este fenómeno es ampliamente conocido en Venezuela como el “Relámpago del Catatumbo”.

 

¿Cuáles son los impactos de las descargas eléctricas?

Las descargas eléctricas atmosféricas pueden tener impactos significativos, tanto para la seguridad de las personas como para los bienes materiales. Aunque es difícil establecer una cifra confiable debido a la falta de información y de reportes, se estima que este fenómeno causa en promedio la muerte de 2000 personas cada año, según un informe de la National Geographic. 

En cuanto a los costos materiales asociados a este fenómeno, se estima que solo en Estados Unidos las pérdidas económicas pueden exceder los ocho millones de dólares por año, según cifras reportadas por el Instituto Nacional de Seguridad contra Rayos de los Estados Unidos. Existen muchas formas de clasificar los daños materiales que puede generar una descarga eléctrica. Sin embargo, es posible agrupar las mayores afectaciones en tres categorías principales:

Daños por incendios: representan quizá la mayor amenaza debido a su severidad, ya que, además de causar pérdidas materiales, pueden comprometer la vida y la seguridad de las personas. Los incendios asociados a las descargas eléctricas pueden presentarse tras el impacto de un rayo sobre instalaciones de madera u otro tipo de materiales inflamables y, por lo general, son iniciados por lo que se conoce como “rayos calientes”. Este tipo de descargas eléctricas presenta una corriente continua, en la cual la electricidad fluye por un periodo de tiempo mayor a una descarga eléctrica normal, generando el calor necesario para iniciar el incendio.

Otra fuente de incendios asociada a las descargas eléctricas atmosféricas se presenta cuando los rayos impactan cerca o directamente sobre estructuras que contienen materiales inflamables. Este tipo de eventos, en los que se presentan explosiones o liberación de sustancias peligrosas al medio ambiente como consecuencia de un fenómeno natural, son conocidos como Natech (Natural Hazard Triggering Technological Disasters). Según investigaciones realizadas, cerca del 61% de estos eventos son detonados por descargas eléctricas atmosféricas, siendo la industria petroquímica y la aceitera las más afectadas.

Daños por sobrecargas de energía: las descargas atmosféricas rara vez impactan, de manera directa, dispositivos eléctricos o electrónicos. Este tipo de daños, causados generalmente por impactos en líneas de energía, causan un incremento en el voltaje de las líneas de transmisión. También pueden ser causados por sobretensiones inducidas, las cuales producen una caída en el voltaje. 

En ambos casos, los dispositivos que se encuentren conectados a una fuente de energía en el momento del impacto pueden dañarse. Los daños en dispositivos electrónicos pueden generar otro tipo de perjuicios que repercuten en pérdidas económicas mucho mayores cuando hay procesos industriales que dependen de la continua operación de estos equipos, tales como sistemas de monitoreo, ventilación, telecomunicaciones, entre otros. Por esta razón, es importante contar con sistemas de protección adecuados y equipos auxiliares que garanticen la continuidad en las operaciones. 

Daños asociados a ondas de choque: las descargas eléctricas atmosféricas generan ondas de choque al calentar el aire. Dichas ondas las percibimos como truenos. Cuando se presentan a una distancia muy cercana de una estructura, pueden llegar a ser destructivas; son capaces de fracturar concreto, ladrillos, bloques de hormigón y paredes de yeso. Además, estas ondas pueden romper vidrios y crear grietas y zanjas en el suelo.

 

Sistemas de protección 

Las descargas eléctricas atmosféricas pueden impactar estructuras e instalaciones y causar daños en zonas cercanas y en servicios conectados. Al respecto, el Ph. D. Silverio Visacro resalta que, a pesar de que estos fenómenos pueden afectar la operación y continuidad de los negocios, existen sistemas de protección, externos e internos, que permiten mitigar su impacto sobre estructuras, instalaciones y equipos:

Sistemas de protección externa: este tipo de sistemas busca disipar o canalizar la energía de un rayo de manera segura, minimizando el daño en las personas, los equipos y las estructuras. 

Sistemas de protección interna: son usados para mitigar los riesgos que podrían presentarse como consecuencia de la energía del rayo. Se componen de dispositivos que regulan las sobretensiones, los cuales desvían la energía que puede entrar a la estructura a través de los elementos conductores que abastecen de servicios, como comunicaciones o tuberías metálicas.

Los pararrayos son los tipos de protección más conocidos. Su función es atraer las descargas eléctricas y canalizar su energía hacia tierra por medio de un conjunto de elementos como puntas captadoras, bajantes y sistema de puesta a tierra. De esta forma se evita que las descargas impacten directamente la estructura causando daños a las mismas o a sus contenidos.

Los árboles aislados y altos funcionan como pararrayos naturales. Esto, sumado a un fenómeno llamado “descarga lateral” en el cual el rayo “rebota” e impacta objetos cercanos, es la razón por la cual no se debe buscar refugio bajo estos elementos durante una tormenta, como explica el Ph. D. Silverio Visacro.

Los rayos pueden impactar eventualmente sobre redes cableadas de servicios, induciendo sobrevoltajes que pueden ocasionar daños en dispositivos eléctricos y electrónicos si no se tienen los correspondientes sistemas de protección interna.

 

Recomendaciones durante una tormenta eléctrica

Las descargas eléctricas atmosféricas pueden representar un peligro latente para las personas cuando se ven sorprendidas por una tormenta mientras realizan actividades a campo abierto. Las actividades comúnmente asociadas al impacto de descargas atmosféricas en personas son:

• Práctica de deportes en campo abierto: fútbol, golf, montañismo, bicicleta, camping, entre otros.
• Actividades en aguas abiertas: navegación en pequeñas embarcaciones, pesca, natación.
• Trabajos realizados en campo abierto: con maquinaria agrícola, en carreteras, entre otros.
• Hablar por teléfono.
• Reparación o uso de dispositivos eléctricos.

Existe una serie de recomendaciones que se deben tener en cuenta antes y durante una tormenta eléctrica para reducir el riesgo de afectación por las descargas producidas:

• Postergar las actividades a campo abierto, como las prácticas deportivas. 
• Remover ramas flojas o secas de árboles que puedan caer durante la tormenta y causar daños. 
• Buscar resguardo al interior de casas, edificios o autos, en caso de estar en medio de un campo abierto. 
• Evitar tomar duchas durante una tormenta eléctrica, ya que la plomería y algunos accesorios del baño pueden conducir la electricidad. 
• Evitar el uso de teléfonos alámbricos. 
• Desconectar dispositivos eléctricos y electrónicos, como computadores. 
• Evitar acercarse a pararrayos naturales, como árboles altos y aislados en un área abierta. 
• No transitar por colinas, puntos altos, campos abiertos y playas. 
• Eludir cobertizos o pequeñas estructuras aisladas en áreas abiertas. 
• No operar o conducir tractores, maquinaria agrícola, motocicletas, carros de golf y bicicletas. 
• En caso de estar cerca de bosques, se recomienda buscar refugio en áreas donde haya pequeños arbustos. 
• En áreas abiertas, es recomendable desplazarse hacia lugares bajos del terreno, como pequeños valles. 
• En caso de estar en aguas abiertas, es recomendable ir a tierra firme y buscar refugio inmediatamente.

Fuentes

• Juan Pablo Restrepo. Ingeniero civil y especialista en Recursos Hidráulicos de la Universidad Nacional de Colombia. 
• Silverio Visacro Filho. Ingeniero eléctrico, M. Sc. de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG), Belo Horizonte, y Ph. D. de la Universidad de Río de Janeiro.