El Termopar del Verano

por Andrew Hall

En un episodio anterior hablamos de "El Electrodo de la Naturaleza"... de cómo una corona de plasma frío es el modelo electrónico adecuado para la génesis del rayo, y de cómo funcionan los mecanismos de ionización en una tormenta eléctrica.

Ahora tomemos una perspectiva más amplia para obtener una visión más coherente de una tormenta eléctrica.

La analogía eléctrica adecuada para una tormenta de supercélula es un termopar múltiple (thermopile).

Un termopar múltiple es un circuito eléctrico que probablemente ya haya visto en uso. Las neveras eléctricas para coches que se conectan al encendedor de cigarrillos son un ejemplo.

Los termopares son un instrumento para medir la temperatura, usado en el aire acondicionado y la calefacción de su coche y su casa.

El termopar es un circuito que no podría ser más sencillo. Solo hace falta tener dos o más cables de conductividad distinta conectados en serie. El efecto también puede lograrse con materiales de estado sólido similares a las células solares.

Las diferentes propiedades eléctricas de los cables distintos crean una diferencia de temperatura —un conductor se enfría y el otro se calienta en presencia de corriente—; o viceversa, la corriente se produce por una diferencia de temperatura.

Ahora, retengamos esa idea por un momento: la corriente se produce por una diferencia de temperatura. La temperatura es enteramente una consecuencia de la electrodinámica. Hay todo tipo de complejidades sobre la temperatura, la radiación y cómo se transporta por conducción y convección, pero, en el fondo, todo es electricidad.

Existen tres relaciones matemáticas que describen la conversión de corriente en calor y de calor en corriente en términos de un circuito, llamadas efectos Seebeck, Peltier y Thomson. Los detalles no son necesarios para esta discusión, porque describen condiciones y aspectos diferentes de lo mismo. La corriente produce calor, y el calor produce corriente, siempre que los materiales adecuados y distintos estén correctamente dispuestos en el circuito.

La relevancia para una nube de tormenta está en el núcleo de la corriente ascendente central de la tormenta, que se convierte en un circuito de termopar. Es un flujo de viento portador de materia iónica que produce una corriente.

En "El Electrodo de la Naturaleza" discutimos varios mecanismos de cómo los iones forman una corona de plasma frío en virtud de emisiones de campo en un campo eléctrico intenso. La corriente ascendente se enfría rápidamente al elevarse, saturándose cada vez más de condensado e ionización. También se contrae. La columna de corriente ascendente central se vuelve más densa a medida que asciende, así que la columna tiene que reducir su volumen, y esto hace que se acelere.

Los muchos cambios en el estado del aire en la corriente ascendente cambian la conductividad del aire en la columna. La columna de corriente ascendente no es eléctricamente diferente de un cable de conductividad variable, que en presencia de corriente exhibirá un efecto termoeléctrico.

No es que quizá lo haga: va a hacerlo. Tiene que hacerlo. En presencia de un campo eléctrico enorme, un viento superficial húmedo que asciende hacia la estratosfera fría y seca va a provocar una corriente eléctrica descomunal. Si alguien lo duda, que vaya a mirar una tormenta eléctrica.

Cuando hay una secuencia de varios conductores de distinta conductividad en serie, el efecto termoeléctrico puede amplificarse añadiendo más uniones. Esto se llama un termopar múltiple (thermopile): son varios termopares conectados entre sí.

El circuito del termopar múltiple

Una tormenta de supercélula es un termopar múltiple. Tiene más de un evento de ionización, y cada uno cambia la conductividad de la columna en una retroalimentación que aumenta la corriente y amplifica la ionización.

La corriente ascendente central se ioniza donde la humedad se satura y condensa, o se congela, en capas de temperatura específicas. Alrededor de toda la columna hay una zona de cizalla entre esta y el aire circundante, y ahí es donde los iones van a acumularse. La zona de cizalla es una interfaz —una barrera dieléctrica que atrae hacia sí las especies cargadas—.

Volvamos de nuevo a nuestra discusión anterior sobre "El Electrodo de la Naturaleza": hablamos de cómo la ionización ocurre a diferentes altitudes a medida que la humedad del aire se condensa, se sobresatura y se congela.

Se sabe desde principios del siglo XX que una partícula cargada que se mueve rápidamente provoca una condensación repentina de agua a lo largo de su trayectoria. En 1911, Charles Wilson usó este principio para idear la cámara de niebla, de forma que pudiera fotografiar las trazas de electrones veloces.

En 2007, Henrik Svensmark publicó una teoría sobre la influencia de los rayos cósmicos galácticos en la formación de nubes, y más tarde demostró su teoría en una cámara de niebla del CERN, mostrando que ciertas formaciones de nubes son catalizadas por rayos cósmicos que ionizan la atmósfera.

Estos son ejemplos de ionización que causa condensación. Consideremos ahora cómo la condensación causa ionización.

El vapor de agua que se condensa en gotitas se autoioniza en cationes y aniones. En el enorme campo eléctrico de una tormenta, los iones se desgarran a medida que se forman, llenando el aire ascendente de especies cargadas. Este evento de condensación forma la primera corona, una corona negativa alrededor de la corriente ascendente central, con la densidad de carga concentrada en las nubes bajas, donde ocurre primero la condensación.

Por encima del 1% en volumen de especies cargadas, el aire exhibirá la dinámica de un plasma. El plasma actúa como un fluido coherente organizado por el campo electromagnético. Busca el equilibrio en una capa equipotencial transversal al campo eléctrico, así que se derrama desde las paredes de la columna y forma "láminas", que es lo que se detecta en las tormentas eléctricas: "láminas" de especies cargadas.

De hecho, tienen una geometría más compleja que una simple "lámina". Se organizan en coronas de plasma que expulsan activamente electrones e iones en corrientes canalizadas. Las coronas tienen una geometría y producen efectos que dependen de la polaridad de la mezcla de especies cargadas.

Los canales de descarga que crean explican todos los aspectos de las tormentas de supercélula. Las coronas explican la lluvia, las corrientes descendentes, los tornados y el rayo. Explican el rayo de nube a tierra y el rayo positivo; el rayo intra-nube y el rayo entre nubes. Explican los sprites, los elfos y los gnomos —descargas eléctricas hacia el espacio que son el equivalente terrestre de una fulguración solar, causadas por lo mismo: la corona—. Explican la forma de las nubes pared, las colas de castor, el mesociclón y el yunque.

Como este es el modelo eléctrico de una tormenta, está más cerca de la verdad. No es que la convección no ocurra, sí ocurre. Pero la convección es transferencia de calor, y eso es fundamentalmente eléctrico, como todo lo demás. La presión y la temperatura están íntimamente relacionadas como expresiones físicas de la electrodinámica.

La parte superior del yunque es otra expresión coronal donde el agua se congela en hielo. La mezcla iónica aquí es diferente, y el resultado es una corona positiva. Tiene una forma distinta, con un diámetro amplio y menos densidad de carga.

Las coronas son las distintas uniones de corriente del termopar múltiple, donde la carga se escapa de la columna de corriente ascendente central, igual que lo haría de una línea eléctrica si el aislamiento estuviera dañado. La atmósfera es un aislante con fugas. Es la intensidad del campo electromagnético lo que le da forma a la tormenta.

Y una vez que el motor se pone en marcha —la cinta transportadora de viento húmedo en la corriente ascendente sigue acelerando a medida que se acumula densidad de carga—. La cortina de lluvia y la corriente descendente son la misma corriente que hace un bucle y vuelca carga hidrolizada en forma de lluvia en el escape de la corriente ascendente.

Es una corriente en bucle de tierra a atmósfera, y de vuelta a tierra, a través de un camino conductor en constante cambio a lo largo de varios regímenes de temperatura; en otras palabras, es un circuito de termopar múltiple.

Y así se acumula la fuerza de la corona, hasta que escupe electrones que se precipitan en avalancha hacia rayos. Si las condiciones son adecuadas, una corona cargada descenderá hacia el suelo, moderando su rayo para enviar hacia abajo un zarcillo retorcido de plasma, mientras agita los vientos del suelo en un vórtice. Un tornado nace de una corona.

En el diagrama, un electrodo de punta genera una corona opuesta a un electrodo de placa conectado a tierra, con un espacio entre ambos. Este es un circuito similar al de una tormenta, salvo que la corona en las nubes no tendría la geometría de un electrodo de punta, sino probablemente una forma toroidal aplanada.

En la región del espacio llamada región de deriva, se crean canales de corriente según la densidad de carga de la región de la corona desde la que irradian. En los bordes exteriores, donde la densidad de carga y la tensión del campo eléctrico son más bajas, la corona no puede generar rayos, pero aun así escupe electrones que derivan hacia el suelo. La región de deriva de una corona crea vientos unipolares a medida que los electrones que derivan arrastran iones y materia neutra por electrocinesis.

Las ráfagas descendentes súbitas e intensas y las nubes mammatus son muy misteriosas para los científicos atmosféricos, que las atribuyen a "bombas de densidad" —bolsas de aire denso y pesado que se hunden rápidamente desde las nubes—. Estas violentas corrientes descendentes pueden derribar aviones del cielo. No son bombas de densidad: son vientos unipolares y penachos ionizantes procedentes de la corona del yunque.

Toda la morfología de una tormenta eléctrica se explica por un circuito de termopar múltiple con aislamiento defectuoso. Pero eso no es todo lo que es. En la Teoría de la Tierra Eléctrica, hay un significado más profundo.

El circuito en bucle de una supercélula es una forma débil de expresión eléctrica conocida como bucle coronal. Los bucles coronales son el resultado del movimiento de las propias coronas en relación con el electrodo de placa. El movimiento diferencial crea un desfase entre el centro de densidad de carga en el cielo y el centro de densidad de carga en el suelo, distorsionando el campo eléctrico. Es como un perro persiguiendo a un gato que nunca logra alcanzar: la polaridad negativa persiguiendo a la positiva en una onda.

El resultado es que la corriente se curva en un bucle. Sube en una descarga de corriente arrastrada por el viento y baja, con la energía gastada y recombinada en lluvia. Sin embargo, si la carga se acumula lo suficiente, el bucle rompe hacia una descarga plenamente desarrollada. La corriente atraviesa la barrera dieléctrica de la atmósfera para verter carga hacia el espacio. En el Sol los llamamos fulguraciones solares y eyecciones de masa coronal. En la Tierra, los llamamos sprites, elfos y gnomos.

Así que aquí estamos, en el mundo del plasma. Capas dobles, ondas de Alfvén, z-pinches y coronas: ocurre en nuestra vida cotidiana tanto como en la superficie del Sol, porque todo es lo mismo.

Así también, tenemos simetría. No la simetría artificial de las ecuaciones matemáticas y las categorías que la ciencia de consenso insiste en imponer por la fuerza a la Naturaleza, sino la verdadera simetría de la Naturaleza: la repetición armónica anidada.

Una organización y una resonancia armónica semejantes entre fenómenos, a través de todos los órdenes de magnitud, no son el resultado de nada aleatorio. Son el resultado de la electricidad.

Los mismos fenómenos se encuentran en cualquier cuerpo planetario que porte una corriente interna que forme un campo electromagnético. Los bucles coronales están, en última instancia, causados por el voltaje entre la magnetosfera y las corrientes telúricas bajo la corteza terrestre, tal como ocurren por encima y por debajo de la fotosfera del Sol y en las atmósferas de Júpiter, Saturno y Venus.

La tensión eléctrica a través de las capas de la atmósfera y la corteza es carga que se acumula en capas de dieléctrico, que es precisamente lo que es un condensador. Una tormenta es una expresión de la descarga de un condensador.

Los tornados son una repetición fractal armónica de la tormenta de supercélula en su conjunto. Son bucles coronales anidados dentro del bucle mayor de la tormenta. Como son más pequeños y se generan a partir de una región de densidad de carga intensa de la corona, la energía está más concentrada.

Miren de nuevo la imagen de un bucle coronal solar y observen que hay un bucle más pequeño de mayor intensidad. Este es el efecto de una repetición armónica anidada; eso es lo que un tornado es para la tormenta de la que nace. Pero, como siempre, es más complicado que eso. Profundizaremos en los tornados la próxima vez, para completar el retrato de una tormenta eléctrica.

[Traducido y adaptado por metahistoria.org a partir del artículo «The Summer Thermopile», de Andrew Hall (fuente: thunderbolts.info)]