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El Neutrino

El neutrino es una partícula esquiva, en apariencia insignificante, pero necesaria para explicar el mundo. Ni la radiactividad, ni el big bang, ni el Modelo Estandar de la física de partículas serían posibles sin él. Con El neutrino, un blog nacido en febrero de 2009, el físico y escritor Germán Fernández pretende acercar al lector, y ahora al oyente, al mundo de la ciencia a partir de cualquier pretexto, desde un paseo por el campo o una escena de una película, hasta una noticia o el aniversario de un investigador hace tiempo olvidado.

Rayo Globular observado por científicos.

Richman y el rayo globular - El Neutrino podcast - Cienciaes.com

Tendemos a pensar que los fenómenos naturales, a fuerza de ser repetitivos, tienen que haber sido explicados por la ciencia desde hace mucho tiempo. No es así, siempre conservan en algún rincón ese halo de misterio que nuevas investigaciones se encargarán de revelar en el futuro. Cuando algo nuevo se aprende, a nosotros, como divulgadores de la ciencia, nos corresponde comunicarlo y completar, o corregir, lo contado anteriormente. Esto ha sucedido ahora con una nueva investigación que acaba de darse a conocer sobre el llamado “Rayo globular”. Hace apenas un mes que Germán Fernández Sánchez nos explicó lo que se sabía de este fenómeno en un capítulo de “El neutrino”, una información que hoy completamos con nuevos datos. El título era: Franklin y Richman, cara y cruz de la electricidad. La botella de Leiden y el rayo globular.

Hoy todos damos por sentado que los rayos y los relámpagos son fenómenos eléctricos. Pero no siempre ha sido así. Sin remontarnos a la antigua Grecia, donde era Zeus el que lanzaba los rayos para castigar a los impíos, la verdadera naturaleza de esos fenómenos no empezó a ser comprendida y aceptada hasta el siglo XVIII, con los experimentos de Franklin. Pero aún hoy en día, muchos fenómenos atmosféricos siguen sin ser bien entendidos por los científicos. Es el caso del rayo globular, que hasta hace poco tiempo se consideraba poco menos que un cuento de viejas. El rayo globular es un fenómeno tan raro, tan fugaz y tan impredecible que nunca se había podido estudiar con medios técnicos. Sólo se disponía de evidencia anecdótica: los relatos de miles de testigos oculares y algunas supuestas fotos y vídeos del fenómeno. Hasta ahora, porque un grupo de científicos chinos acaba de publicar la primera observación científica de un rayo globular en la naturaleza. Pero empecemos por el principio.

Franklin, la cometa y el rayo.

El 15 de junio de 1752, en Filadelfia, Benjamin Franklin realizó su famoso experimento en el que, con la ayuda de una cometa y una llave, demostró la naturaleza eléctrica de rayos y relámpagos. ¿O no lo hizo? Resulta sorprendente que en los escritos de Franklin no aparece ninguna mención de los resultados del experimento, que no fueron publicados hasta 1767, en el libro History and Present Status of Electricity (“Historia y estado actual de la electricidad”) de Joseph Priestley.

Lo que sí dejó escrito Franklin fue una advertencia sobre la peligrosidad de su experimento; el riesgo mortal de recibir un rayo a través de una cometa ya era bien conocido en la época. Si realmente llevó a cabo el experimento, no fue de la manera que se suele describir, sujetando el hilo de la cometa con la mano, sino probablemente utilizando una cometa cautiva para captar cargas eléctricas de una nube de tormenta y almacenarlas en una botella de Leiden.

La botella de Leiden.

Hoy en día, la botella de Leiden es una pieza de museo, pero en la época de Franklin era lo último en tecnología eléctrica. Había sido inventada casi simultáneamente pocos años antes, hacia 1744 o 1745, por dos científicos que habían sido discípulos del neerlandés Willem Jacob ‘s Gravesande: el físico alemán Ewald Georg von Kleist, en Prusia, y el científico neerlandés Pieter van Musschenbroek, en Leiden. Aunque parece que Kleist se adelantó a van Musschenbroek en unos meses, fue el segundo quien comunicó sus resultados a la comunidad científica francesa, donde se popularizó el nombre de botella de Leiden.

La botella de Leiden fue el primer dispositivo que permitió almacenar cargas eléctricas de un modo práctico. O sea, el primer condensador. Antes de su invención, para almacenar cargas eléctricas era necesario recurrir a largos conductores aislados.

El primer condensador.

En un principio, la botella de Leiden era un simple recipiente de vidrio lleno de agua y cerrado con un tapón atravesado por una varilla metálica en contacto con el agua. Si se aproxima un conductor cargado a la varilla, al tocar el exterior de la botella se recibe una descarga eléctrica.
En 1746, el naturalista inglés William Watson descubrió que la descarga eléctrica era mayor si la botella se recubría con una lámina de metal. Poco después, el físico francés Jean Antoine Nollet sustituyó el agua por otro recubrimiento metálico interno.

La botella de Leiden, como todo condensador, se compone de dos conductores (las láminas metálicas del interior y el exterior de la botella) separados por un aislante (el vidrio). Durante mucho tiempo se creyó que la carga eléctrica se almacenaba en el vidrio de la botella, según la hipótesis del propio Benjamin Franklin. Pero es en los conductores donde se almacena en realidad. De hecho, aunque la cantidad de carga almacenada, lo que se llama capacidad del condensador, depende del material aislante utilizado, éste no es necesario, y puede sustituirse por el vacío, y además la capacidad de un condensador aumenta cuando disminuye la distancia entre los conductores, y por tanto la cantidad de aislante que los separa.

Desde su invención, y durante el siglo XIX, las botellas de Leiden fueron muy populares, ya que se empleaban en las ferias para demostrar el poder de la electricidad, con descargas eléctricas que podían matar ratones y pequeños pájaros. Eran tan populares que aparecen en varias novelas de la época, como Veinte mil leguas de viaje submarino, de Julio Verne, y La mujer de treinta años, de Balzac. Sospecho que el sucesor de la botella de Leiden, el condensador, no goza de la misma popularidad en nuestros días; me temo que el único condensador que se ha popularizado a través del cine sea el ficticio condensador de fluzo de Regreso al futuro.

Pero volvamos al siglo XVIII y al experimento de la cometa de Franklin. Hay quien piensa que Franklin nunca lo llevó a la práctica, y sólo publicó la propuesta, en 1750, como una broma destinada a sus detractores, sobre todo los británicos de la Royal Society, que ridiculizaban sus hipótesis sobre la electricidad atmosférica.

El pararrayos

A pesar de todo, las ideas de Franklin fueron acogidas con seriedad en Europa continental. Aunque más que por el experimento de la cometa, los científicos europeos se decantaron por otro experimento semejante, también ideado por Franklin, en el que las cargas eléctricas atmosféricas se captaban con la ayuda de una barra de hierro. O sea, un pararrayos. El primero que realizó el experimento en Europa, el 10 de mayo de 1752, fue el francés Thomas-François Dalibard, con una barra de hierro de quince metros. Pero el más célebre, tristemente célebre, fue Georg Wilhelm Richman.

El desgraciado final de Richman.

Richman fue un científico ruso de origen germánico, nacido el 11 de julio de 1711 en Pernau (hoy Pärnu, en Estonia). Investigó en diversos campos de la física, como la electricidad, la calorimetría, el magnetismo, la óptica… y fue colaborador de Mijaíl Lomonósov, uno de los científicos rusos más importantes de la época. Miembro de la Academia Rusa de Ciencias en San Petersburgo, en 1744 Richman llegó a ser director del departamento de Física de dicha institución.

El 6 de agosto de 1753, Richman se encontraba en una reunión de la Academia de Ciencias cuando se escuchó un trueno. El científico quiso aprovechar la ocasión para repetir el experimento de Dalibard, y regresó inmediatamente a su casa acompañado de su grabador para inmortalizar el momento. (En aquella época anterior a la fotografía, el arte del grabado se encontraba en su apogeo.) Durante el experimento, una esfera luminosa recorrió la barra de hierro y golpeó en la cabeza a Richman, que murió en el acto con una marca roja en la frente, la ropa quemada y los zapatos reventados. En la explosión que siguió, la puerta se rompió y se salió de sus goznes, y el grabador fue arrojado al suelo.

El enigmático rayo globular.

¿Qué fue lo que mató a Richman? Probablemente, un rayo globular.
El rayo globular, también llamado centella, rayo en bola o esfera luminosa, es un objeto luminoso que se mantiene flotando en el aire durante varios segundos. Su forma es más o menos esférica, y a veces da la impresión de estar hueco. Su tamaño más habitual es de unos veinte a cincuenta centímetros de diámetro. Generalmente es de color blanco, amarillo o naranja, pero puede ser azul, verde o incluso negro. A veces emite chispas o pequeños rayos. El brillo del rayo globular, suficiente para ser visible a la luz del día, suele ser uniforme y constante, aunque en algunos casos se ha observado un núcleo interno de distinta intensidad o color; su luminosidad media equivale a la de una bombilla de 100 vatios.

Sin embargo, parece que estos rayos emiten muy poco calor, aunque sí pueden provocar daños a su paso: quemaduras, agujeros perforados en muros, evaporación de agua e incluso de metales… Hay rayos globulares silenciosos, pero a menudo producen un sonido crepitante o sibilante, un zumbido o un ruido parecido al de las banderas al ondear, y pueden ir acompañados de un olor a ozono, azufre u óxido nítrico; de hecho, en un caso se detectaron altas concentraciones de ozono y óxido nítrico en el aire tras el paso del rayo. Estos sonidos y olores aparecen también en las descargas eléctricas de alta tensión en el aire, lo que sugiere que se trata de un fenómeno electromagnético.

Muchas teorías y ninguna certeza.

Se han formulado varias teorías para tratar de explicar el rayo globular. Casi todas recurren para ello a fenómenos químicos o electromagnéticos: plasmas o moléculas ionizadas, aerogeles, o sea, sustancias sólidas muy porosas de bajísima densidad, campos electromagnéticos cerrados sobre sí mismos, burbujas de agua, ovillos de fibras poliméricas o aerosoles cargados de electricidad, átomos polarizados y muy excitados, en los que los electrones orbitan muy lejos de los núcleos, materiales vaporizados por la caída de un rayo, aire ultracomprimido… Incluso se ha llegado a proponer que el rayo globular está provocado por el paso por la atmósfera de un agujero negro microscópico. Pero ninguna de las hipótesis presentadas hasta el momento ha sido capaz de explicar adecuadamente todas las características del fenómeno.

El movimiento de los rayos globulares puede ser de lo más variado: desde la inmovilidad hasta el desplazamiento aleatorio zigzagueante, pasando por el movimiento espiral o vertical, aunque lo más habitual es el movimiento horizontal cerca del suelo, con una velocidad de pocos metros por segundo. Unas veces parecen arrastrados por la brisa, mientras que otras se mueven contra el viento. A veces el rayo rota sobre sí mismo o rueda o rebota en el suelo. En un caso, un rayo globular se sumergió en el mar y volvió a salir repetidas veces. El rayo globular puede recorrer pasillos estrechos y colarse por chimeneas, mosquiteras y cerraduras, e incluso atravesar ventanas, paredes y otros objetos sólidos. También puede viajar a lo largo de cables de alta tensión, como una cuenta en un collar, pero no se ve afectado por los pararrayos.

Los rayos globulares suelen estar asociados con las tormentas eléctricas; al igual que éstas, son más frecuentes en verano, y entre el mediodía y la media tarde. Generalmente se manifiestan inmediatamente antes o después de la caída de un rayo, pero no siempre. Son visibles tanto con cielos despejados como bajo lluvias torrenciales, y aparecen lo mismo al aire libre que en espacios cerrados; se han observado incluso en el interior de aviones alcanzados por rayos. También se han documentado rayos globulares asociados con ciclones, tornados, huracanes y terremotos.

Los científicos logran captar, por primera vez, un rayo globular.

Algunos experimentos recientes han intentado reproducir el rayo globular en el laboratorio con un éxito relativo, puesto que no es seguro que los resultados obtenidos, aunque superficialmente similares, estén relacionados con ese fenómeno. Incluso es posible que los diversos testimonios sobre rayos globulares se refieran a varios fenómenos naturales diferentes.

Hacía falta observar y estudiar un rayo globular en la naturaleza. Y eso es lo que ha hecho, por fin, un equipo de investigadores de la Universidad Normal del Noroeste, en Lanzhóu (China). En 2012 (aunque no se ha publicado hasta ahora), el equipo se encontraba observando una tormenta con cámaras y espectrógrafos en la región de Qinghai, en el centro del país, cuando se les presentó, a 900 metros de distancia, un rayo globular, generado por la caída de un rayo. La esfera luminosa, de unos cinco metros de diámetro, surgió del suelo y se desplazó unos quince metros en 1,6 segundos, antes de desintegrarse. Los espectrógrafos revelaron que el rayo globular estaba formado por los mismos elementos que componen el suelo: silicio, hierro y calcio.

El descubrimiento apoya una teoría sobre el origen de los rayos globulares planteada en 2000 por el químico John Abrahamson, de la Universidad de Canterbury, en Nueva Zelanda. Según esta teoría, cuando cae un rayo, el calor liberado vaporiza la sílice presente en el suelo, y una onda de choque proyecta este vapor de óxido de silicio hacia arriba. Si también hay carbono presente, por ejemplo en hojas secas, éste roba el oxígeno al óxido de silicio, dejando una nube de vapor de silicio puro, que rápidamente se vuelve a oxidar con el oxígeno del aire. Es esta oxidación la que hace brillar al rayo globular.

Queda por saber si esta interpretación puede explicar toda la enorme variedad de rayos globulares que se han observado y descrito o si, como apuntábamos antes, nos encontramos ante una variedad de fenómenos semejantes, pero de causas diferentes.

A veces, los rayos globulares se disipan lentamente o se deshacen en pedazos, pero en general desaparecen bruscamente con una estruendosa explosión que en ocasiones ha causado víctimas o graves daños materiales, como en el caso de Richman.

El trágico accidente de Richman mostró los peligros de la experimentación eléctrica sin toma de tierra. Richman fue la primera persona de la historia que murió realizando un experimento con electricidad. En su libro sobre la historia de la electricidad citado al principio, Priestley escribió:
“No todo electricista puede morir de manera tan gloriosa como el justamente envidiado Richman.”

Más información.

Cen, Jianyong; Yuan, Ping; Xue, Simin (17 January 2014). Observation of the Optical and Spectral Characteristics of Ball Lightning . Physical Review Letters (American Physical Society) 112 (35001). Retrieved 19 January 2014.

OBRAS DE GERMÁN FERNÁNDEZ:

El expediente Karnak. Ed. Rubeo

El ahorcado y otros cuentos fantásticos. Ed. Rubeo

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