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1. El Circuito Eléctrico Global
El Circuito Eléctrico Global es un fascinante sistema de interacciones eléctricas que abarca todo nuestro planeta. Funciona gracias a la constante generación de electricidad por las tormentas eléctricas y su interacción con la Tierra y la ionosfera, una capa de la atmósfera cargada eléctricamente por la radiación solar [Rycroft et al., 2000; Haldoupis et al., 2017]. Vamos a desglosar este concepto en partes más simples:
Generación de Electricidad en Tormentas Eléctricas: Las tormentas eléctricas generan grandes cantidades de electricidad debido a los procesos dentro de las nubes. Funcionan como baterías en un circuito eléctrico, impulsando la electricidad desde la superficie terrestre hacia la ionosfera. Estas "baterías" crean corrientes ascendentes que mantienen el flujo del circuito. Los rayos, descargas eléctricas masivas, transfieren cargas entre las nubes y la Tierra, desempeñando un papel crucial en este proceso.
Cargas Eléctricas en la superficie de la Tierra: Las cargas eléctricas en la superficie de la Tierra durante una tormenta eléctrica son el resultado de la separación de cargas dentro de las nubes y la inducción de cargas en el suelo, lo que lleva a la formación de un campo eléctrico y, eventualmente, a la descarga de rayos.
Ionosfera Positivamente Cargada: Muy por encima de la superficie, la ionosfera, una capa de la atmósfera cargada positivamente por la radiación solar, actúa como el otro polo de este "circuito". Actúa como el "polo positivo" del circuito.
Flujo Continuo de Corriente: Entre la superficie de la Tierra y la ionosfera, la atmósfera actúa como un medio para el flujo de corriente electrica. Aunque es un aislante poco eficiente, permite la circulación continua de corriente, conocida como la "corriente de tiempo bueno"
Influencia de Rayos Cósmicos: Los rayos cósmicos, partículas energéticas procedentes del espacio, interactúan con la atmósfera terrestre, contribuyendo a la ionización de las moléculas del aire. Esto facilita el flujo de corriente eléctrica en el circuito electrico global.
Balance y Retroalimentación: El sistema se auto equilibra con la generación continua de cargas en las tormentas y su disipación a través de la corriente de tiempo bueno. De esta manera, el circuito eléctrico global se "autoalimenta" continuamente.
Figura 1. El Circuito Eléctrico Global. Las tormentas eléctricas generan corrientes eléctricas las cuales fluyen hacia la atmosfera superior (representado por las flechas en la figura). Estas corrientes fluyen libremente por la ionosfera debido a su alta conductivida eléctrica. En las regiones de tiempo bueno, estas corrientes fluyen hacia la superficie terrestre. Finalmente, estas corrientes se desplazan libremente por la Tierra cerrando el circuito. Ω: representa la resistencia eléctrica del aire. En la imagen se observa claramente las diferencias de Ω para las tormentas (debajo: 10000 - 100000 Ω y arriba: 100000 - 1000000 Ω) y en las regiones de tiempo bueno (100 Ω). [Imagen modificada de Rycroft et al. 2000]
1.1 El Campo eléctrico Atmosférico
El estudio del campo eléctrico en regiones de tiempo bueno, es decir, en condiciones atmosféricas sin tormentas, es una parte fascinante de la física atmosférica. Este campo se mantiene constante y juega un papel crucial en el Circuito Eléctrico Global. Veamos su historia, mantenimiento, características, y la importancia de estudiarlo.
Descubrimiento Histórico: El interés por el campo eléctrico atmosférico comenzó en el siglo XVIII, con científicos como Benjamin Franklin, quien fue uno de los primeros en experimentar con la electricidad atmosférica. La comprensión del campo eléctrico en condiciones de tiempo bueno (o despejado) comenzó a tomar forma en el siglo XIX, particularmente con los trabajos de Lord Kelvin, quien desarrolló teorías sobre cómo se mantenía el voltaje atmosférico. Entre los anhos 1928-1929 el Institute Carnegie realizo mediciones del campo electrico atmosferico sobre todos los oceanos de la Tierra. Mediciones de la variacion diurna de este campo electrico mostraron que la forma de la curva se mantenia a lo largo de los dias. Desde entonces esta curva es conocida como la curva ‘universal’ de Carnegie, la cual es considerada como la variacion diaria del campo electrico atmosferico en regiones de buen tiempo [Harrison, 2013].
Mantenimiento del Campo: El campo eléctrico en condiciones de buen tiempo se mantiene principalmente gracias a la continua generación de cargas eléctricas en las regiones de tormentas alrededor del mundo.
Figura 2a. La Curva de Carnegie: Es conocida como la curva 'universal' del campo eléctrico atmosferico en tiempo bueno. Fue obtenida de mediciones realizadas en los océanos realizadas por el Institute Carnegie de Washington. Presenta 3 máximos registrados a las ~8, ~14 and ~20UT los cuales represetan los máximos de las tormentas eléctricas en Asia y Australia, Africa y Europa y America, respectivamente (Figura 2b).
Figura 2b. La curva global de las tormentas eléctricas (curva solida de color negro) comparado con la curva de Carnegie (curva roja). Las contribuciones de cada continente estan indicadas en las diferentes lineas.
Características
Variación Anual y Estacional: El campo eléctrico atmosférico varía a lo largo del año, influenciado por la distribución y la frecuencia de las tormentas eléctricas. Las variaciones estacionales se deben principalmente a los cambios en los patrones climáticos y la actividad de rayos, que son más intensos durante el verano en las regiones continentales.
Variación Diaria: Como mencionado anteriormente, también se observa una variación diaria, conocida como el ciclo Carnegie. Este ciclo muestra un máximo del campo eléctrico alrededor de las 19:00 UT (UT: horario Universal), coincidiendo con el pico global de la actividad de tormentas eléctricas [Harrison, 2013].
Influencia de Rayos Cósmicos y Solar: Los rayos cósmicos y la actividad solar también afectan el campo eléctrico atmosférico, alterando la ionización de la atmósfera superior y, por tanto, modificando la conductividad atmosférica. En la seccion 1.5 explicaremos esta interacción en mas detalle [Rycroft et al., 2012].
Importancia de Estudiarlo
El estudio del campo eléctrico en condiciones de buen tiempo es crucial por varias razones, siendo la mas importante:
Clima y Cambio Climático: Proporciona información valiosa sobre cómo los cambios climáticos podrían estar afectando la electricidad atmosférica y, a su vez, cómo esto podría influir en el clima a largo plazo [Williams y Mareev, 2014].
1.2 Tormentas eléctricas
Las tormentas eléctricas son fenómenos meteorológicos asociados principalmente a vientos fuertes, lluvias, granizo, rayos, relámpagos, truenos, y en ocasiones inundaciones. Sin embargo, la principal característica que define una tormenta eléctrica es la capacidad de producir rayos (descargas eléctricas). Por lo tanto, podemos decir que toda tormenta eléctrica produce rayos. (https://www.nssl.noaa.gov/education/svrwx101/thunderstorms/ )
Para conocer mejor a las tormentas eléctricas, hablemos un poco de los cumulonimbos. Los cumulonimbos, son un tipo de nube, que en su etapa de madurez, alcanza un gran desarrollo vertical, siendo capaces de generar precipitación y descargas eléctricas. Por lo tanto, podríamos entender que una nube cumulonimbus es un tipo de tormenta eléctrica, conocida como tormenta eléctrica unicelular o de célula simple. Sin embargo una tormenta eléctrica, no solo puede estar formada por a una nube cumulonimbus, si no por varias de éstas, a las cuales se les conocen como tormentas multicelulares o de células múltiples. Éstas últimas pueden alcanzar grandes extensiones, por lo que son capaces de generar numerosas descargas eléctricas y gran cantidad de precipitación.
Se estima que en promedio hay entre 1000 a 2000 tormentas eléctricas activas en todo momento distribuidas en el planeta, generando constantemente corriente eléctrica que alimenta al Circuito Eléctrico Global (CEG), actuando como baterías globales.
1.3 ¿Qué es un Rayo?
El rayo es un fenómeno geofísico extremadamente común y notable, responsable de la luz más brillante y el sonido más fuerte en la Tierra. A pesar de que casi todo el mundo ha visto un rayo y se producen entre 30 y 100 descargas por segundo globalmente (unos 9 millones diarios), su comprensión sigue siendo limitada. La naturaleza aleatoria de su aparición, su variabilidad temporal desde nanosegundos hasta casi un segundo, y su ocultación por las nubes tronadoras complican su estudio. Más de un siglo de investigaciones ha proporcionado una comprensión general de su fenomenología, pero el conocimiento detallado de su física, aún está en desarrollo.
1.4 Terminologías más usadas para describir un Rayo
Un rayo, o lightning discharge, en su totalidad que golpee o no el suelo , generalmente se denomina 'lightning flash' o simplemente 'flash'. Una descarga de rayo que involucra un objeto en el suelo o en la atmósfera a veces se refiere como 'lightning strike'. Un término no técnico comúnmente usado para una descarga eléctrica es ‘lightning bolt’, de acuerdo con Rakov y Uman (2003).
1.5 Descargas eléctricas
Las civilizaciones antiguas frecuentemente integraron los relámpagos y truenos en sus creencias religiosas, percibiendo estos fenómenos tanto aterradores como fascinantes.
Un sistema de tormenta pequeño típico produce un destello de rayo a tierra cada 20-30 segundos durante 40-60 minutos y cubre un área de aproximadamente 100-300 km² (aproximadamente un círculo en el suelo con un radio entre 6 y 10 km). Todas las descargas de rayos se pueden dividir en dos categorías: (1) aquellas que cierran el espacio entre la carga de la nube y la Tierra y (2) aquellas que no lo hacen. Este último grupo en su conjunto se conoce como "descargas de nube" y representa la mayoría de todas las descargas de rayos. Hay cuatro tipos de rayos que ocurren entre la nube y el suelo. Los cuatro tipos, ilustrados por separado en la Figura 6 (a-d), se distinguen entre sí por el signo de la carga eléctrica llevada en el "líder" inicial y por la dirección de propagación de ese líder.
Aproximadamente el 90% de los destellos de rayo de nube a tierra son iniciados por un líder descendente con carga negativa, resultando en la transferencia de esta carga desde la parte media de la nube hacia el suelo. En contraste, cerca del 10% de estos rayos son generados por un líder descendente con carga positiva, trasladando carga positiva desde la nube al suelo. Los dos tipos menos comunes de rayos, que en realidad van de tierra a nube, se originan en lugares elevados como montañas o torres altas y ascienden hacia las nubes. En estos casos, la ramificación del rayo es ascendente, a diferencia de los rayos descendentes donde la ramificación va hacia abajo, desde la nube hacia la tierra, como se muestra en la Figura 3.
Figura 3. (a) rayo negativo descendente, (b) rayo negativo ascendente, (c) rayo positivo descendente, y (d) rayo positivo ascendente. Estas descargas se clasifican generalmente como de nube a tierra, conocidas también como CG. Los rayos negativos descendentes, tipo (a), constituyen alrededor del 90% de todas las descargas de nube a tierra a nivel mundial, mientras que los rayos positivos descendentes, tipo (c), representan menos del 10%.Los rayos ascendentes, tanto negativos como positivos, generalmente se originan en estructuras altas o en cumbres montañosas.
Generalmente, una descarga eléctrica inicia cuando las cargas acumuladas en la base de la nube y la superficie terrestre generan un campo eléctrico intenso que puede romper la rigidez dieléctrica del aire. Esto resulta en la formación de un canal luminoso y tenue, llamado líder escalonado, que crea un camino conductor entre la nube y el suelo. Este líder tiene un diámetro de 1 a 2 cm y transporta aproximadamente 2 kA en menos de 10 segundos, moviéndose hacia el suelo a una velocidad de 200,000 m/s. A medida que el líder escalonado se acerca al suelo, una descarga ascendente lo intercepta entre 15 y 50 metros de altura. En este punto, se genera la corriente de retorno, que fluye del suelo hacia la nube, neutralizando la carga en el canal. Esta corriente de retorno puede alcanzar entre 30 kA y 200 kA, con temperaturas de hasta 30,000 °C, casi cinco veces la temperatura superficial del Sol. Este intenso calentamiento expande el aire rápidamente, creando una onda de choque que se convierte en el sonido del trueno. Estos fenómenos se propagan a velocidades significativas y son muy luminosos, siendo visibles al ojo humano.
Figura 4. Representación esquemática del desarrollo de un destello de rayo negativo de nube a tierra, el tipo más común de rayo de nube a tierra. La escala de tiempo se muestra en milisegundos desde los primeros procesos de ruptura eléctrica en la nube. Fuente: Adaptado de Uman (2014).
1.6 Rayos Cósmicos
Los Rayos Cósmicos (RC) son partículas cargadas o núcleos atómicos que provienen del espacio exterior y alcanzan la atmósfera terrestre, originándose tanto en la Vía Láctea como en regiones extragalácticas. Desde 1912, cuando Víctor Hess demostró su existencia y su alta capacidad de penetración en la materia mediante experimentos de ionización a diferentes altitudes, los RC han sido fundamentales para avances significativos en la física. El espectro de energia de los RC varía entre 10^9 hasta 10^20 eV, y ha impulsado el desarrollo de experimentos para comprender mejor los procesos de aceleración, transporte e interacción de estas partículas con campos magnéticos interplanetarios.
1.7 Clima Espacial y sus efectos en la electricidad atmosférica
Efectos del Clima Espacial en la electricidad atmosférica terrestre han sido reportados anteriormente. Por ejemplo Zhang et al. [2020] investigaron la relación entre la actividad de rayos en latitudes bajas y las disminuciones de Forbush (FD) de los rayos cósmicos galácticos, utilizando tasas de descargas eléctricas observadas por el satélite LIS/TRMM. El análisis mostró que la actividad de descargas eléctricas en latitudes bajas disminuye aproximadamente un 10% inmediatamente después del maximo descréscimo del evento FD y retornaba a valores normales 3 días después. Esta respuesta fue más significativa en el Hemisferio Sur.
Figura 5. Respuesta de la actividad de descargas eléctricas diaria promedio de 3 días dentro de (a) 19°N–38°N, (b) 0–19°N, (c) 19°S–0 y (d) 38°S–19°S zonas de latitud, respectivamente, al efecto de FD. [Imagen tomada de Zhang et al., 2010]
Por otro lado, Tacza et al. [2022] analizaron cómo los eventos de protones solares (SPEs por sus siglas en ingles) y los FD afectan el campo eléctrico atmosférico en regiones de buen tiempo, registrados en estaciones ubicadas en latitudes medias y bajas y en diferentes altitudes. Los resultados indican que los SPEs intensos aumentan el campo eléctrico en condiciones de buen tiempo en estaciones localizadas a una alta altitud (Figura 6). Asimismo, los FD fuertes incrementan el campo eléctrico en estaciones localizadas a una alta altitud (Figura 7).
Figura 6. Análisis de época superpuesta (SEA, por sus siglas en ingles) de la respuesta de desviación del gradiente de potencial (PG) del Complejo Astronómico El Leoncito (CASLEO) a eventos de Protones Solares (SPE) (curva negra). Las barras de error representan un error estándar de la media. Las líneas grises muestran el resultado de 30.000 iteraciones haciendo el promedio de 17 eventos analizados para tiempos de inicio aleatorios. La línea roja continua es el promedio de las iteraciones y las líneas rojas discontinuas representan ±2,5 σ (σ es la desviación estándar). La línea discontinua azul es el resultado del SEA sin considerar dos eventos que fueron lo suficientemente intensos para alcanzar la superficie terrestre ( conocidos como GLE, por sus siglas in ingles). De la figura se observa que hay un incremento de ~12V/m despues del inicio del SPE. [Imagen tomada de Tacza et al., 2022]
Figura 7. (Primer panel) Variación horaria del índice Dst (curva negra) y del índice Kp (curva roja) para el período comprendido entre el 12 y el 18 de Julio de 2022. (Segundo panel) Tasa de conteo del monitor de neutrones (en %) en México (curva negra), LMKS, Eslovaquia, (curva roja) y Oulu, Finlandia, (curva azul). También se muestra el flujo energético de protones en el canal ≥100 MeV (curva verde). (Tercer panel) Conteo de rayos cósmicos en el detector CARPET instalado en los Andes Argentinos. (Cuarto panel) Valores horarios del gradiente de potencial (PG), registrados en CASLEO, para el día del evento (curva negra) y la curva estándar mensual (curva gris) con sus respectivas barras de error de ±1 desviación estándar (±1 σ). (Quinto panel) Desviaciones de PG para CASLEO (curva negra) y el Observatorio Geofísico en las estaciones de Świder, Polonia (curva roja). Valores faltantes de PG se deben a que no se cumplen las condiciones climáticas favorables. [Imagen tomada de Tacza et al., 2022]
1.8 Referencias
Haldoupis, C., Rycroft, M., Williams, E., Price, C., 2017. Is the “Earth-ionosphere capacitor” a valid component in the atmospheric electric circuit? J. Atmos. Sol. Terr. Phys.
164, 127–131.
Harrison, R.G., 2013. The Carnegie curve. Surv. Geophys. 34 (2), 209–232.
Rakov, V., Uman, M., 2014. Lightning: Physics and effects. Cambridge University Press.
Rycroft, M.J., Israelsson, S., Price, C., 2000. The global atmospheric electric circuit, solar activity and climate change. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 62, 1563–1576.
Rycroft, M.J., Nicoll, K.A., Aplin, K.L., Harrison, R.G., 2012. Recent advances in global electric circuit between the space environment and the troposphere. J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 90–91, 198–211.
Tacza, J., Odzimek, A., Cuadros, E. T., Raulin, P., Kubicki, M., Fernandez, G., & Marun, A. (2022). Investigating Effects of Solar Proton Events and Forbush Decreases on Ground-Level Potential Gradient Recorded at Middle and Low Latitudes and Different Altitudes. Space Weather, 20(3), e2021SW002944. https://doi.org/10.1029/2021SW002944
Williams, E., Mareev, E., 2014. Recent progress on the global electric circuit. Atmos. Res. 135-136, 208–227.
Zhang, L., Tinsley, B., & Zhou, L. (2020). Low Latitude Lightning Activity Responses to Cosmic Ray Forbush Decreases. Geophysical Research Letters, 47(4), e2020GL087024. https://doi.org/10.1029/2020GL087024
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