electricidad atmosférica

Los ciclos diarios globales del campo eléctrico atmosférico, con un mínimo alrededor de las 03 UT y un pico aproximadamente 16 horas después, fueron investigados por la Institución Carnegie de Washington en el siglo XX. Esta variación de la curva de Carnegie ^{[ 16 ]} ha sido descrita como "el latido eléctrico fundamental del planeta". ^{[ 17 ]}

Incluso lejos de las tormentas eléctricas, la electricidad atmosférica puede ser muy variable, pero, en general, el campo eléctrico se intensifica en la niebla y el polvo, mientras que la conductividad eléctrica atmosférica disminuye.

El gradiente de potencial atmosférico conduce a un flujo de iones desde la atmósfera cargada positivamente hacia la superficie terrestre cargada negativamente. En un campo plano en un día despejado, el gradiente de potencial atmosférico es de aproximadamente 120 V/m. ^{[ 18 ]} Los objetos que sobresalen de estos campos, como flores y árboles, pueden aumentar la intensidad del campo eléctrico a varios kilovoltios por metro. ^{[ 19 ]} Organismos como el abejorro detectan estas fuerzas electrostáticas cercanas a la superficie para orientarse hacia las flores ^{[ 19 ]} y la araña para iniciar la dispersión mediante el vuelo de globos . ^{[ 18 ] [ 20 ]} También se cree que el gradiente de potencial atmosférico afecta la electroquímica subsuperficial y los procesos microbianos. ^{[ 21 ]}

Por otro lado, los enjambres de insectos ^{[ 22 ]} y aves ^{[ 23 ]} pueden ser una fuente de carga biogénica en la atmósfera, lo que probablemente contribuya a una fuente de variabilidad eléctrica en la atmósfera.

La capa de la electrosfera (desde decenas de kilómetros sobre la superficie terrestre hasta la ionosfera) tiene una alta conductividad eléctrica y se encuentra esencialmente a un potencial eléctrico constante. La ionosfera es el límite interior de la magnetosfera y es la parte de la atmósfera que se ioniza por la radiación solar. ( La fotoionización es un proceso físico en el que un fotón incide sobre un átomo, ion o molécula, lo que provoca la eyección de uno o más electrones). ^{[ 24 ]}

La Tierra, y casi todos los seres vivos en ella, son bombardeados constantemente por radiación del espacio exterior. Esta radiación consiste principalmente en iones con carga positiva, desde protones hasta hierro y núcleos más grandes , provenientes de fuentes fuera del Sistema Solar . Esta radiación interactúa con los átomos de la atmósfera para crear una lluvia de radiación ionizante secundaria, que incluye rayos X , muones , protones , partículas alfa , piones y electrones . La ionización de esta radiación secundaria asegura que la atmósfera sea débilmente conductora, y el ligero flujo de corriente de estos iones sobre la superficie terrestre equilibra el flujo de corriente de las tormentas eléctricas. ^{[ 4 ]} Los iones tienen parámetros característicos como movilidad , vida útil y tasa de generación que varían con la altitud .

La diferencia de potencial entre la ionosfera y la Tierra se mantiene gracias a las tormentas eléctricas , en las que los rayos transfieren cargas negativas de la atmósfera al suelo.

Las colisiones entre el hielo y el granizo blando (graupel) dentro de las nubes cumulonimbus provocan la separación de cargas positivas y negativas dentro de la nube, lo cual es esencial para la generación de rayos. Aún se debate cómo se forman los rayos: los científicos han estudiado las causas fundamentales, que van desde perturbaciones atmosféricas (viento, humedad y presión atmosférica ) hasta el impacto del viento solar y las partículas energéticas.

Un rayo promedio transporta una corriente eléctrica negativa de 40 kiloamperios (kA) (aunque algunos rayos pueden alcanzar los 120 kA) y transfiere una carga de cinco culombios y una energía de 500 MJ , suficiente para alimentar una bombilla de 100 vatios durante casi dos meses. El voltaje depende de la longitud del rayo, ya que la rigidez dieléctrica del aire es de tres millones de voltios por metro, y los rayos suelen tener varios cientos de metros de longitud. Sin embargo, el desarrollo del líder del rayo no es una simple cuestión de rigidez dieléctrica, y los campos eléctricos ambientales necesarios para su propagación pueden ser varios órdenes de magnitud menores que la rigidez dieléctrica. Además, el gradiente de potencial dentro de un canal de retorno bien desarrollado es del orden de cientos de voltios por metro o menos debido a la intensa ionización del canal, lo que resulta en una potencia real del orden de megavatios por metro para una corriente de retorno vigorosa de 100 kA. ^{[ 12 ]}

Si se conoce la cantidad de agua que se condensa y posteriormente se precipita de una nube, entonces se puede calcular la energía total de una tormenta eléctrica. En una tormenta eléctrica promedio, la energía liberada asciende a unos 10.000.000 kilovatios-hora (3,6 × 10¹³ julios ), lo que equivale a una ojiva nuclear de 20 kilotones. Una tormenta eléctrica intensa y severa podría ser entre 10 y 100 veces más energética.

El fuego de San Telmo es un fenómeno eléctrico en el quese crea plasma luminoso mediante una descarga coronal que se origina en un objeto conectado a tierra . A menudo se confunde erróneamente el rayo globular con el fuego de San Telmo, cuando en realidad son fenómenos distintos. ^{[ 26 ]} Aunque se le denomina "fuego", el fuego de San Telmo es, de hecho, plasma , y ​​se observa, generalmente durante una tormenta eléctrica , en las copas de los árboles, agujas de campanas u otros objetos altos, o en las cabezas de los animales, como un destello o estrella de luz.

El efecto corona se produce cuando el campo eléctrico alrededor del objeto en cuestión ioniza las moléculas de aire, generando un tenue resplandor fácilmente visible en condiciones de poca luz. Se requieren aproximadamente entre 1000 y 30 000 voltios por centímetro para inducir el fuego de San Telmo; sin embargo, esto depende de la geometría del objeto. Las puntas afiladas tienden a requerir niveles de voltaje más bajos para producir el mismo resultado, ya que los campos eléctricos se concentran más en áreas de alta curvatura, por lo que las descargas son más intensas en el extremo de los objetos puntiagudos. Tanto el fuego de San Telmo como las chispas normales pueden aparecer cuando un alto voltaje eléctrico afecta a un gas. El fuego de San Telmo se observa durante las tormentas eléctricas cuando el suelo bajo la tormenta está cargado eléctricamente y existe un alto voltaje en el aire entre la nube y el suelo. El voltaje desgarra las moléculas de aire y el gas comienza a brillar. El nitrógeno y el oxígeno de la atmósfera terrestre hacen que el fuego de San Telmo fluoresca con luz azul o violeta; este mecanismo es similar al que hace brillar los letreros de neón.

Las resonancias de Schumann son un conjunto de picos espectrales en la porción de frecuencia extremadamente baja (ELF) del espectro del campo electromagnético terrestre. La resonancia de Schumann se debe a que el espacio entre la superficie terrestre y la ionosfera conductora actúa como una guía de ondas . Las dimensiones limitadas de la Tierra hacen que esta guía de ondas actúe como una cavidad resonante para las ondas electromagnéticas. La cavidad se excita naturalmente por la energía de los rayos. ^{[ 27 ]}

Las cargas atmosféricas pueden provocar una acumulación de potencial de carga indeseable, peligrosa y potencialmente letal en los sistemas de distribución de energía eléctrica mediante cables suspendidos. Los cables desnudos suspendidos en el aire, que se extienden a lo largo de muchos kilómetros y están aislados del suelo, pueden acumular cargas almacenadas de alto voltaje muy elevadas, incluso en ausencia de tormentas eléctricas o rayos. Esta carga tenderá a descargarse a través del camino con menor aislamiento, lo que puede ocurrir cuando una persona extiende la mano para activar un interruptor o utilizar un aparato eléctrico.

Para disipar la acumulación de carga atmosférica, un lado del sistema de distribución eléctrica se conecta a tierra en numerosos puntos, incluso en cada poste de soporte . El cable conectado a tierra se denomina comúnmente "tierra de protección" y proporciona una vía para que el potencial de carga se disipe sin causar daños, además de ofrecer redundancia en caso de que alguna de las vías de tierra presente deficiencias debido a la corrosión o a una baja conductividad del suelo. El cable de puesta a tierra adicional, que no transporta corriente, cumple una función secundaria: proporciona una vía de cortocircuito de alta corriente para fundir rápidamente los fusibles y proteger un dispositivo dañado, evitando así que un dispositivo sin conexión a tierra y con aislamiento dañado se energice a través de la red eléctrica y resulte peligroso al tacto.

En una red de distribución de corriente alterna, cada transformador segmenta el sistema de puesta a tierra en un circuito independiente. Estos circuitos independientes también deben estar conectados a tierra en un lado para evitar la acumulación de carga en su interior con respecto al resto del sistema, lo que podría causar daños debido a la descarga de potenciales de carga a través de las bobinas del transformador hacia el otro lado conectado a tierra de la red de distribución.