La generación del rayo
La breve historia de los fenómenos relámpagos y su impacto en las actividades humanas ha atraído la atención de la gente durante mucho tiempo. China tiene registros de rayos ya en el siglo XIV a. C. (ver "Una breve historia del desarrollo de la ciencia atmosférica"). Más tarde, en el "Huainanzi" escrito por Liu An y otros de la dinastía Han Occidental, expusieron la opinión de que "el yin y el yang finos son como el trueno y la emoción es como la electricidad". Wang Chong, de la dinastía Han del Este, señaló en su libro "Lunheng": "Los truenos también son excitados por el sol". También resumió la estacionalidad de las actividades de truenos y relámpagos: "Truenos en el primer mes", "Truenos en mayo". , "Truenos en otoño e invierno". En el siglo XVIII, para revelar la naturaleza de los rayos, muchos científicos realizaron experimentos de detección. Por ejemplo, en 1750, el científico estadounidense B. Franklin propuso la idea de extraer electricidad de las nubes midiendo pararrayos instalados en torres altas. En junio de 1752, se arriesgó a que le cayera un rayo y realizó un famoso experimento para detectar rayos con una cometa en Filadelfia. Observó las chispas eléctricas producidas por las nubes de tormenta a través de los cables de las cometas, confirmando la coherencia de las propiedades del rayo natural y la electricidad producida por la fricción. Al mismo tiempo, los eruditos soviéticos μ β Lomonosov y γ β Richman utilizaron detectores de rayos caseros para detectar las chispas eléctricas generadas cuando pasaban las tormentas. Desafortunadamente, Rickman fue alcanzado por un rayo y murió. A partir de entonces comenzó la investigación moderna sobre rayos eléctricos.
Las estructuras de rayos consisten en rayos que serpentean a través de las nubes y llegan al suelo. Parece ser un destello instantáneo para el ojo humano, pero a menudo se compone de múltiples descargas consecutivas en el mismo canal, con unos pocos segundos de diferencia (Figura 2 [Estructura del relámpago mostrada en fotografía de alta velocidad]). Cada descarga en todo el proceso del rayo se llama rayo. Un rayo a menudo puede registrar múltiples rayos, algunos hasta 10 veces.
El parpadeo generalmente incluye dos procesos: pilotar y contraatacar. El pilotaje es el proceso de preparación para establecer un canal de ionización de descarga de rayo y se divide en dos tipos: pilotaje en cascada y pilotaje lineal. El líder de paso es un haz de luz tenue que se extiende paso a paso hasta el suelo como una escalera. Su diámetro es de unos 5 metros y la longitud de cada etapa es de unos 50 metros. El líder recorre esta distancia a una velocidad de aproximadamente 10 metros/segundo, luego hace una pausa de aproximadamente 30 a 100 microsegundos y luego continúa extendiéndose hacia adelante. Por lo tanto, todo el líder de la cascada se extiende rápidamente hasta el suelo a una velocidad promedio de aproximadamente 1,5 × 10 m/s, y el líder de la cascada establece un canal de ionización para el viaje de regreso. Cuando el piloto se encuentra entre 5 y 50 metros sobre el suelo, se producirá un retroceso en un determinado punto del suelo a lo largo del canal de ionización. El fuego de respuesta es mucho más brillante que el del piloto. El destello visto a simple vista es un golpe de retorno, con una velocidad de aproximadamente 5×10 m/s y una duración de aproximadamente 40 microsegundos. La corriente que pasa es de unos 10 A, en ocasiones hasta 10 A, y el diámetro medio del canal de retorno es de sólo unos pocos centímetros. Después del líder de la cascada y el primer paso de retorno, puede haber una brecha de unas pocas centésimas de segundo, seguido por un segundo líder y retorno. Después de la segunda vez, los pilotos generalmente van directamente desde las nubes a la tierra, lo que se llama guía directa. Como no tiene escalones, su velocidad de movimiento es aproximadamente 10 veces mayor que la guía de escalones. La duración total de un rayo es de aproximadamente 0,2 segundos, con docenas de cargas negativas transportadas desde la nube al suelo.
Dado que el rayo no es un proceso en estado estacionario y no se ve afectado por el electrodo de descarga, es difícil explicar el proceso del rayo usando la teoría de la descarga de avalancha de electrones en un campo eléctrico fuerte (la concentración de electrones aumenta bruscamente debido a la reacción en cadena de colisiones de electrones). Entonces alguien propuso la teoría del streamer, que cree que cuando la avalancha de electrones es fuerte, producirá emisión de fotones, produciendo así fotoionización y formando una nueva avalancha de electrones derivada. Esta área de fuerte ionización en desarrollo se llama serpentina, y el área que se extiende hacia el ánodo (cátodo) se llama serpentina positiva (negativa). Las descargas de rayos se pueden explicar bien según la teoría de las serpentinas. Según esta teoría, los líderes de la cascada son serpentinas negativas que avanzan en cascada, con una velocidad general similar a la velocidad de una chispa de laboratorio en el aire.
El líder del canal directo es una corriente negativa que viaja a lo largo del canal previamente ionizado, mientras que el recorrido de retorno es una corriente positiva que viaja hacia arriba desde el suelo.
El campo eléctrico generado por un rayo a una distancia L contiene tres componentes: campo electrostático, campo de inducción y campo de radiación. El componente del campo electrostático es directamente proporcional al momento de descarga e inversamente proporcional a; el componente de inducción electromagnética depende de la corriente de descarga y es inversamente proporcional a El campo de radiación tiene un gran efecto durante la descarga cercana y el campo de radiación tiene un gran efecto durante la descarga. descarga lejana (ver Tiandian). El cambio del campo eléctrico de un rayo es inicialmente un cambio lento (cambio L) relacionado con la descarga líder, que dura aproximadamente 0,1 segundos, seguido de un cambio rápido (cambio R) relacionado con el golpe de retorno, que dura menos de 1 milisegundo. , y finalmente un cambio rápido que dura aproximadamente 0,1 Cambios lentos en segundos (cambios S). Los cambios de campo eléctrico de múltiples rayos comienzan nuevamente desde el cambio L y terminan con el cambio S. Durante este período, hay un cambio lento (cambio J) entre el cambio R correspondiente al rayo y los dos cambios R. este último es el tiempo entre los dos rayos y está formado por el proceso de descarga de no luminiscencia intermitente (Figura 3 [Un rayo]).
La observación y el estudio del espectro del rayo y del espectro de emisión de la corriente del rayo proporcionan las primeras pistas sobre las propiedades físicas del rayo. Al examinar el espectro del rayo de 3000 a 10000 Angstroms, se encontró que está compuesto de líneas de emisión atómica e iónica y bandas de emisión y absorción molecular sobre un fondo espectral continuo débil. Se han publicado cerca de 200 líneas espectrales, la mayoría de las cuales pertenecen a las líneas espectrales de emisión neutra y de ionización de nitrógeno y oxígeno. Del estudio de los espectros de los rayos se puede deducir que la temperatura del canal del rayo alcanza un valor máximo de 25.000 ~ 30.000 K en unos pocos microsegundos, pero cae al valor medio máximo en unos 30 microsegundos. A la temperatura máxima, la concentración de electrones en el canal es de 10 ~ 10/cm, que es mayor o igual a la suma de las concentraciones de moléculas, átomos e iones en el canal. La presión alcanza las 10 atmósferas. Algunos resultados de investigaciones sobre el espectro de los rayos son consistentes con los parámetros eléctricos de los rayos observados mediante el método electromagnético. Desde la perspectiva del diseño de protección contra rayos en los sectores de energía, construcción y otros, la corriente del rayo es uno de los parámetros más importantes de la descarga del rayo, del cual se pueden inferir parámetros como la carga, la energía y el momento eléctrico. La corriente del rayo generalmente alcanza su valor máximo en aproximadamente 10 microsegundos (10 ~ 100 kA), y la tasa de aumento de corriente alcanza el valor máximo (aproximadamente 10 kA/microsegundo) antes de la corriente máxima. La diferencia de potencial entre la nube y el suelo es generalmente de 10 ~ 10 voltios, y se transportan alrededor de 20 cargas a la vez, por lo que la energía de un rayo es de aproximadamente 2 × (10 ~ 10) julios. Una corriente de rayo tan poderosa pasa instantáneamente a través de un canal con un diámetro de varios centímetros, generando una onda de choque que se propaga a cierta distancia y luego se degrada en ondas sonoras, que son los truenos y relámpagos que escuchamos.
Según las diferentes formas y características de los rayos, los rayos se pueden dividir en diferentes tipos, como rayos lineales, rayos de cinta, rayos de cohetes, rayos de láminas, rayos térmicos, rayos de perlas y rayos de bolas. El rayo lineal es el más común en la naturaleza y su característica principal es una columna luminosa delgada y brillante. Si el haz de luz es recto y no ramificado, como el tronco de un árbol, se llama relámpago dendrítico; si el haz de luz es en zigzag y ramificado, se llama relámpago bifurcado (ver imagen en color [Relámpago bifurcado]). El relámpago de cinta es un tipo de relámpago de nube a tierra con un ancho de unos diez metros (Figura 4 [Relámpago de cinta]). Esto se debe a que el canal del rayo lineal se mueve bajo la acción de un fuerte viento, lo que hace que la posición espacial del rayo se separe en dirección horizontal y se convierta en una franja. El rayo de un cohete es una descarga de aire a larga distancia. A simple vista se puede observar directamente la descarga moviéndose lentamente a lo largo del canal del rayo como una flecha, y la duración de toda la descarga es de aproximadamente 1 segundo. Rayo laminar es el término utilizado para referirse al rayo que hace brillar las nubes. Los relámpagos térmicos se utilizan para referirse a relámpagos que están demasiado lejos para escuchar el trueno y solo ver el destello. A menudo resulta difícil distinguir entre rayos laminares y rayos térmicos. El relámpago con cuentas ocurre cuando el canal del relámpago parece estar roto en muchos pedazos pequeños. Cada sección tiene unas decenas de metros de largo. Desde la distancia, parece un collar de cuentas colgando del cielo. El relámpago en forma de bola es un relámpago poco común y extraño que puede causar ciertos daños (ver imagen en color [Relámpago en forma de bola]). Tienen forma esférica, con un diámetro de 10 a 20 cm (algunos miden menos de 1 cm, o incluso hasta 10 m), rojos, naranjas o amarillos, y su tiempo de existencia es inferior a 5 s (algunos miden más de 1 min). . Por lo general, se mueve horizontalmente a velocidades de varios metros por segundo y, en ocasiones, puede detenerse en el aire o caer del cielo.
Los rayos en forma de bola tienen tendencia a penetrar en las grietas. Las desapariciones suelen ir acompañadas de explosiones y ruidos fuertes, o desaparecen silenciosamente. Suele haber un olor parecido al ozono o al óxido nítrico en el lugar donde desaparecen. Ha habido muchas hipótesis sobre la causa de los rayos en bola, pero no se ha llegado a un consenso. Algunas personas piensan que los relámpagos en forma de bola son una bola de aire caliente, mientras que otros piensan que es un plasma extremadamente denso (la concentración de electrones es de aproximadamente 10/m). También hay dos opiniones sobre la fuente de energía de las centellas: ① Se cree que la energía de las centellas se almacena en la esfera, como la energía química de las reacciones de los gases, la energía compuesta de las partículas cargadas, la energía de radiación de las excitadas átomos o moléculas, etc. ② Se cree que la energía de las centellas proviene del exterior de la esfera. Por ejemplo, la energía de radiación de radiofrecuencia de cientos de megahercios emitida por las nubes de tormenta o las partículas radiactivas de rayos cósmicos se acumula en el fuerte campo eléctrico de las nubes de tormenta para producir reacciones de fisión nuclear, que producen. Proporciona energía suficiente para la generación de rayos en forma de bola. Las teorías anteriores siguen siendo controvertidas y ninguna de ellas puede explicar las características de movimiento de las centellas.
Literatura
Traducida por R.H. Gold, Zhou Shijian y otros. : Truenos y relámpagos, Volumen 1, Electric Power Industry Press, Beijing, 1982. (editado por Gaud, Li Hening, Volumen 1, Academic Press, Londres, 1977.
Meter (abreviatura de metro)) McGraw-Hill Lightning Uman, Nueva York, 1969.