El rayo esférico

16 de mayo de 2017

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Bruno Henríquez

 

Es muy difícil convencer a los científicos,
por eso la ciencia es confiable

Antígona Segura Peralta
astrobióloga

 

Uno de los fenómenos más controvertidos en cuanto a las descargas eléctricas es el llamado rayo esférico o rayo en bola, a él se le asocian muchas de las luces que aparecen en el cielo, unas veces se les llama centellas y debido al comportamiento errático de su movimiento, al hecho de que aparecen y desaparecen sin avisar también engrosan la fila de los fenómenos que se reportan como OVNIS, entre ellos los llamados foo fighters que aparecían cerca de los aviones durante la segunda guerra mundial.

También se han asociado a la presencia de fantasmas y a muchas leyendas de los más diferentes lugares del mundo en los que las luces que aparecen y desaparecen son frecuentes.

 

 

 Se manifiesta como una bola luminosa con mucho brillo, que se desplaza de forma impredecible, unas veces erráticamente y otras siguiendo trayectorias aparentemente definidas.

El rayo esférico aparece por lo general al final de las tormentas y otras veces antecede a un rayo común, en otras ocasiones aparece y desaparece solo sin relación aparente con otro fenómeno. Por la intensidad de su luminosidad y el tiempo que se mantiene brillando, parece que en el rayo esférico se viola la ley de la conservación de la energía.

Se llega a esta conclusión al suponer que la energía que lo hace brillar está contenida en su estructura, es de origen químico y los cálculos muestran que de ser así se apagaría muy pronto.

En general el rayo esférico es un fenómeno persistente con una duración muy larga al considerarse sus condiciones de aislamiento y compararse con los relámpagos. La bola luminosa puede permanecer estacionaria o moverse: lenta o rápidamente. Se reporta tanto como una manifestación silenciosa o acompañada de sonidos unas veces sibilantes, otras como los crujidos de la estática captada por un aparato de radio.

A lo largo de la historia muchos especialistas han intentado explicar el proceso físico que permite su existencia, entre ellos Hertz, Toepler, Nauer y el genial Nikola Tesla quien realizó experimentos al respecto en 1904.

El científico ruso y Premio Nobel de física Piotr Kapitsa analizó con detenimiento este fenómeno, él consideró que el rayo esférico consiste en una bola de plasma, o sea el gas que lo compone está completamente ionizado y lo comparó con la nube de una explosión nuclear, porque es uno de los casos en que la energía del proceso hace que la materia esté completamente ionizada.

 

 

La energía potencial de las moléculas de un gas en cualquier estado químico es menor que la que se necesita para ionizar o disociar sus moléculas. Esto permite calcular cual será la máxima energía contenida en una esfera gaseosa compuesta de aire y que tenga las mismas dimensiones que un rayo esférico.

Además se puede calcular la intensidad de la radiación que emite desde su superficie. Estos cálculos muestran que el tiempo que estaría brillando el rayo esférico es mucho menor que el observado en la realidad. Pero el cálculo mencionado se confirma en el caso del tiempo que brilla la nube después de una explosión nuclear.

La nube formada inmediatamente después de la explosión nuclear es sin duda una masa gaseosa completamente ionizada y por tanto muy energética, contenedora de la reserva extrema de energía potencial. Por eso ella debería brillar un tiempo mayor que el rayo esférico de las mismas dimensiones, pero en realidad no ocurre así.

Como la energía contenida en la nube de una explosión nuclear es proporcional a su volumen y la emisión de radiación es proporcional a su superficie, entonces el tiempo de emisión de energía por parte de una esfera será proporcional a su radio, o sea a sus dimensiones lineales. Una nube completa de una explosión nuclear con un diámetro igual a 150 m irradia durante un tiempo menor a 10 s, de modo que una esfera (de dimensiones semejantes a un rayo esférico de los reportados) con un diámetro de 10 cm debe brillar con un tiempo menor a 0,01s. Pero en realidad los rayos esféricos de tales dimensiones generalmente duran desde varios segundos a varios minutos.

 

 

Por una parte la nube de gases en la explosión nuclear se dilata, se expande, por lo tanto se enfría y se apaga perdiendo la luminosidad, mientras el rayo esférico mantiene su tamaño y su brillo, durante más tiempo y no pierde la luminosidad poco a poco sino que se apaga de pronto, igual que apareció.

De este modo, si en la naturaleza no existen fuentes de energía desconocidas, entonces, debido a la ley de conservación de la energía, es necesario aceptar que en el tiempo de luminancia del rayo esférico de un modo continuo se consume energía y nos vemos obligados a buscar esta fuente de energía fuera del volumen de la esfera. Como el rayo esférico generalmente se observa “flotando” en el aire, sin contacto con un conductor, entonces el más natural y al parecer único modo de obtener la energía debe ser la absorción de intensas ondas de radio que le lleguen del exterior.

Al comparar el rayo esférico con la nube posterior a una explosión nuclear aparecen las diferencias fundamentales siguientes:

 

 

Cuando una onda electromagnética es absorbida por una nube de gas ionizado, se da el fenómeno de resonancia por el cual la radiación no se amortigua cuando las dimensiones de la esfera formada es del orden de un cuarto de la longitud de onda de la radiación. Es como si la esfera estuviera “sintonizada” con la onda que tiene esas dimensiones. Y se produce el efecto llamado resonancia.

A la frecuencia y longitud de onda de una dimensión determinada, en un sistema físico en resonancia, se le llama frecuencia propia de oscilación.

 

 

Para las condiciones de radiación intensa que son responsables del brillo del rayo esférico, las condiciones de resonancia están determinadas completamente por sus dimensiones exteriores. Y la longitud dela onda será cuatro veces el tamaño del diámetro de la esfera. (Más exactamente l=3,65 d)

Existe un volumen de plasma que mantiene y aumenta su ionización por la radiación incidente que alcanza la resonancia para un tamaño determinado por la longitud de onda de la radiación incidente. Al ser un fenómeno de resonancia, la dimensión de la esfera que forma el rayo se mantiene invariable.

Efectivamente supongamos que la intensidad de las oscilaciones absorbidas aumenta; entonces la temperatura del gas ionizado crece algo y la esfera se hincha pero este aumento lo aleja de la resonancia y la absorción de ondas electromagnéticas disminuye, la esfera se enfría y regresa a las dimensiones cercanas a la resonancia. De este modo se pude explicar el porqué del diámetro del rayo esférico permanece constante durante la luminancia.

Las dimensiones de los rayos esféricos observados se encuentran en el intervalo de 1 a 27 cm. De acuerdo con la hipótesis de Kapitsa estas magnitudes multiplicadas por cuatro dan el intervalo de las ondas de radio que son la causa natural de la aparición de los rayos. Los diámetros más comúnmente observados en los rayos esféricos son de 10 a 20 cm que corresponden a una longitud de onda de 35 a 70 cm.

Los lugares más propicios para la formación de los rayos esféricos serán, evidentemente, las zonas donde las ondas de radio alcanzan la mayor intensidad. A estas zonas se les llama antinodos de tensión y su posición y desplazamiento pueden determinarse por un estudio de la interferencia de las ondas de radio. Gracias a la elevación de la intensidad del campo eléctrico en los antinodos, sus posiciones fijarán los lugares posibles de aparición de los rayos. Este mecanismo implica que el rayo esférico se desplace con el movimiento de los antinodos, independientemente de la dirección del viento o de las corrientes de convección del aire.

Como un ejemplo posible de la fijación de tal posición de los rayos esféricos analicemos el caso cuando las ondas de radio se reflejan en la superficie conductora de la tierra. Entonces gracias a la interferencia se forman ondas estacionarias y a distancias iguales a la longitud de onda multiplicadas por ¼ , ¾ , 5/4 y 7/4; etc. se formarán antinodos estacionarios en el espacio en los cuales la intensidad del campo eléctrico se duplica en relación con la onda incidente. Cerca de estas superficies, gracias al aumento de la intensidad, se darán condiciones favorables tanto para la aparición de la descarga inicial como para el posterior desarrollo y mantenimiento de la ionización en la nube que forma el rayo esférico. De este modo la absorción de ondas electromagnéticas por el gas ionizado puede ocurrir sólo en determinadas superficies paralelas al relieve de la Tierra. Esto fijará la posición de los rayos esféricos en el espacio.

Este mecanismo explica el por qué los rayos esféricos generalmente se forman a distancias no grandes de la Tierra y se mueven en planos horizontales. En este caso la distancia mínima del centro del rayo esférico a la superficie conductora será igual a ¼ de la longitud de onda y por consiguiente, el espacio entre la superficie reflectora y el borde de la esfera debe ser aproximadamente igual a su radio.

Para  oscilaciones intensas es completamente posible que en una serie de antinodos se formen rayos esféricos separados unos de otros a distancias de una semilongitud de onda. Se han observado tales cadenas de rayos y se les ha dado el nombre de rayos en cadena o en rosario y existen fotos y películas que los muestran.

La hipótesis de Kapitsa puede explicar por qué a veces los rayos esféricos desaparecen acompañados por una explosión inofensiva. Cuando el suministro de energía se suspende de improviso, el enfriamiento de la esfera se produce con tanta rapidez que se forma una esfera de aire enrarecido, cuyo rápido llenado provoca una onda de choque con una pequeña fuerza. Cuando la energía se emite lentamente el apagado será un proceso tranquilo y sin ruido.

 

 

La hipótesis planteada puede dar una solución satisfactoria a la propiedad más incomprensible de los rayos esféricos, o sea, su penetración en los edificios a través de las ventanas, hendiduras y más comúnmente a través de las chimeneas, en los países donde estas son comunes. Al caer en una habitación, la esfera brillante, durante algunos segundos, o bien planea o bien corre por los cables. Se han descrito tantos casos que su veracidad no provoca dudas.

En un avión que viajaba atravesando una nube de tormenta a una altura de 2800m penetró un rayo esférico. Con la hipótesis de Kapitsa, este efecto se explica debido a que la penetración en una habitación cerrada por los rayos esféricos ocurre gracias a que ellos se desplazan por la trayectoria de las oscilaciones electromagnéticas de onda corta, que se propagan bien a través de orificios, por las chimeneas, por los cables como por guías de onda. Generalmente, las dimensiones de las chimeneas precisamente corresponden a la sección transversal crítica de la guía de ondas por la cual pueden propagarse libremente ondas con longitudes de 30-40 cm, encontrándose en correspondencia con las dimensiones de los rayos esféricos observados que penetran en los edificios.

De este modo, la hipótesis sobre el origen de rayos esféricos por causa de oscilaciones electromagnéticas de onda corta puede explicar no sólo toda una serie de otros procesos conocidos e incomprensibles como sus dimensiones fijas, la casi inmovilidad de su posición, la existencia de rayos en cadenas o la onda explosiva al desaparecer, sino que también puede explicar su penetración en recintos cerrados.

Otro fenómeno interesante y que pudiera estar relacionado con los rayos esféricos son los fuegos de San Telmo que consisten en descargas eléctricas luminosas que aparecen en los edificios altos, las torres de los campanarios, en las alas de los aviones, en mástiles y a veces hasta cerca de las cabezas de las personas o las astas del ganado. Recibe el nombre de una antigua tradición de los marinos españoles.

 

 

Kapitsa se pregunta si los fuegos de San Telmo observados en racimos no serán también motivados por ondas electromagnéticas pero de menor potencia. Las explicación clásica de los fuegos de San Telmo es la de la salida de cargas eléctricas por las puntas de los objetos al aparecer grandes diferencias de potencial entre la Tierra y una nube. Esta explicación parece válida en el caso de objetos en el suelo donde se puede mostrar la trayectoria cerrada de la corriente eléctrica constante, pero se han descrito casos en los que se observó el fuego de San Telmo en el fuselaje de un avión en vuelo, lo implicaría que la carga eléctrica en el avión debería ser extremadamente grande, lo que no es imposible.

La detección natural de las ondas electromagnéticas que dan lugar al rayo esférico, según el modelo de Kapitsa, no se había reportado y su observación es muy difícil, pero recordemos que también la aparición del rayo esférico es un fenómeno raro y que la longitud de onda de radio asociada según esta explicación corresponde a la banda de 35 a 70 cm que se usa relativamente poco.

De lo primero se desprende que la presencia de aire ionizado es favorable a la aparición de ondas de radio y lo segundo que las descargas eléctricas de las tormentas excitan esas oscilaciones. Esto conduce a la siguiente suposición lógica: la fuente de ondas de radio debe ser un proceso oscilatorio espontáneo que ocurre en la atmósfera ionizada, junto a la nube o cerca de la Tierra. Si la fuente se encuentra cerca de la Tierra la zona donde la radiación es intensa será limitada y estará precisamente en el lugar donde aparece el rayo esférico. El valor de la intensidad de las ondas de radio puede disminuir rápidamente al alejarse de este lugar y por eso para observarlas desde grandes distancias sería necesario un equipo muy sensible. Si las ondas de radio las emite la misma nube de la tormenta, entonces ellas pueden abarcar una zona mayor y su detección no presentará dificultades incluso para un receptor de poca sensibilidad.

Para la reproducción del fenómeno en laboratorios se utiliza una fuente de ondas de radio muy potente de intensidad continua en el intervalo decimétrico y la posibilidad de enfocarla en un volumen pequeño. Entonces aparecen las condiciones para que se forme una esfera luminosa con un diámetro aproximadamente igual a un cuarto de la longitud de onda de la radiación usada.

Pero la estabilidad y el comportamiento del fenómeno realizado en el laboratorio no se corresponden exactamente con lo observado en la naturaleza.

 

 

En septiembre de 1996, en la Universidad Complutense de Madrid se presentó un modelo de comportamiento del rayo esférico que complementa las investigaciones realizadas durante tanto tiempo sobre este fenómeno. El modelo plantea la región esférica del rayo en bola como formada por estructuras matemáticas llamadas nudos, en los que se producen fenómenos vibracionales, que no se corresponden exactamente con la resonancia pero que bajo ciertas condiciones son similares, y que explican las temperaturas, la ionización del plasma y los niveles de radiación. Es un paso más en la comprensión de un fenómeno que aún no se puede reproducir satisfactoriamente en los laboratorios.