Resuelta la paradoja de la generación de rayos en tormentas de arena gracias a la neutralización de carga

Durante una tormenta de arena se observan rayos, incluso en el planeta Marte y en la Luna, muy peligrosos para los helicópteros que viajan por el desierto, los vehículos para misiones en la Luna o Marte, y muchas industrias, como las refinerías petroleras. He buscado sin éxito en internet fotos y vídeos de rayos en tormentas de arena (¿conoces alguno?). ¿Por qué se producen rayos en las tormentas de arena? La respuesta parece obvia, la triboelectricidad, dos objetos se cargan por contacto o rozamiento mutuo (electrón significa en griego ámbar, porque cuando se frota el ámbar con un paño seco se produce electricidad estática). Pero cómo el rozamiento de pequeños granos de arena neutros logra generar las enormes cargas necesarias para producir las grandes diferencias de potencial eléctrico requeridas para producir la ruptura del aire y la generación de un rayo. Se acaba de publicar un artículo de Nature Physics que propone una respuesta razonable a esta cuestión, basada en experimentos y simulaciones por ordenador. Cuando dos granos dieléctricos colisionan se produce una pequeña transferencia de carga eléctrica, incluso si los granos son de material idéntico y son neutros o inertes (no tienen cargas libres), pero la teoría predecía una neutralización de la carga cerca del punto de contacto. Pähtz et al. han descubierto que, paradójicamente, dicho efecto neutralizador puede producir un incremento de una unidad de carga eléctrica granular tras cada colisión si las partículas colisionan dentro de un campo eléctrico externo. Los investigadores han verificado su teoría con simulaciones por ordenador y experimentos de laboratorio (ver la foto que abre esta entrada).

El mecanismo propuesto para la carga de partículas de polvo en colisión asume un campo eléctrico externo y se muestra en la figura de la izquierda. Tomemos dos partículas polarizadas con dos unidades de carga opuesta en un campo eléctrico (izquierda) que choan y se neutralizan en el punto de contacto (centro). Cuando se separan (derecha) el campo eléctrico provoca que las partículas incrementen su polarización. Así, un par de partículas neutras polarizadas que colisionan y se neutralizan adquieren un incremento en su polarización, una se vuelve más electronegativa y la otra más electropositiva. En este modelo simplificado las partículas adquieren una unidad de carga tras cada colisión gracias a un proceso de neutralización. En la figura las cargas positivas y negativas se denotan en rojo y azul, respectivamente, y las flechas indican el vector velocidad de cada partícula.

Las simulaciones por ordenador de un medio granular sometido a un campo eléctrico (como la mostrada en la figura de la derecha) muestran que la repolarización tras las colisiones de las partículas conduce a un gradiente de carga suficiente para producir descargas eléctricas.

Los interesados en el artículo técnico, de fácil lectura, y que presenta los detalles del modelo utilizado para las colisiones entre partículas tienen la suerte de que el preprint se encuentre gratis en T. Pähtz, H. J. Herrmann, T. Shinbrot, “Why do Particle Clouds Generate Electric Charges?,” ArXiv, 26 Mar 2010, aunque el artículo se lee más agradablemente en Nature Physics, Advance Online Publication, 11 April 2010. Obviamente, no se deben olvidar los vídeos del experimento que acompañan la información suplementaria: 4layers.mov, 7layers.mov, 10layers.mov, y 13layers.mov. También es agradable ver el vídeo de las simulaciones por ordenador, ChargeEvolution.mov.

PS (18 abril 2010): Interesante foto que muestra rayos generados en la nube de cenizas del volcán islandés que ha paralizado el espacio aéreo europeo estos días.

Rayos en la pluma de cenizas del volcán Eyjafjallajökull, Islandia, ahora tan de moda. (C) http://www.flickr.com/photos/orvaratli
los relámpagos iluminan la ceniza saliendo a borbotones desde el volcán Eyjafjallajökull en el sur de Islandia (foto 17 de abril de 2010). (C) Marco Fulle, Stromboli online. http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap100419.html

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