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El Condensador Eléctrico Atmosférico
Gloria:
Bueno, lo prometido es deuda, así que aquí va el primer tema de la asignatura de Electricidad Atmosférica dada por el profesor Fernando de Pablo en la facultad de Físicas de Salamanca (que el único merito mio fué coger los apuntes y escribirlos aquí :) )
A quien no le guste el tema o que se aburra, que no lo lea :P
EL CONDENSADOR ELÉCTRICO ATMOSFÉRICO:
La Tierra es un condensador donde la superficie terrestre es una de las placas, cargada negativamente, y la ionosfera es la otra placa, cargada positivamente. Estas dos placas se comportan como conductores perfectos.
La capa de aire que existe entre las dos “placas” actúa como un dieléctrico (se pierde carga).
Tienen que producirse corrientes eléctricas (movimiento de cargas a través de un medio material) que nos determinen la variabilidad del campo eléctrico.
Estas corrientes eléctricas son función de propiedades de la atmósfera.
El campo es descendente E = 15 V/m
D V = 3 x 105 V
R = 300 W
I = 1500 A
Q = 1.2 x 10–3 C/Km2
(Valores estándar con las medidas actuales)
Donde Q es la densidad de carga estándar y R es la resistencia promedio estándar entre la superficie terrestre y la ionosfera.
El condensador terrestre tiene una diferencia de potencial de unos 300000 voltios, luego por la Ley de Ohm (DV= IxR): I = 1500 A
El valor del campo eléctrico es E = 15 V/m. E varía con la altura, al descender, E aumenta.
En Salamanca: E ~ 150-200 V/m
Existe un mecanismo recargador del condensador telúrico que son las tormentas.
Campo distorsionado:
En una capa nubosa se produce un movimiento de cargas y una bipolarización:
Se produce una inversión del campo eléctrico.
El movimiento de cargas es el contrario al que se produce con buen tiempo.
Si no existiese un mecanismo regulador, desaparecería toda la carga del campo terrestre.
Las tormentas son ese mecanismo regulador.
Mecanismos de electrificación (muy complejo)
Dentro de los cumulonimbos existen fuertes corrientes ascendentes en su primer instante. Originan que las masas de agua de la parte inferior de la nube asciendan. Como al subir la temperatura baja, las gotas se van enfriando de forma que se hielan y amalgaman y, en algunos casos, pueden alcanzar el estado de granizo. El granizo provocará las diferencias de potencial (ddp a partir de ahora)
Es decir, con el movimiento ascendente se producen diversos procesos de electrificación que originan que las partículas de hielo se carguen. Al estar las partículas cargadas, el campo eléctrico se invierte porque se produce transporte de carga. La carga la produce la polarización de las partículas de agua y hielo en la nube.
Ionosfera
Es la armadura positiva del condensador terrestre.
Su base es imprecisa (porque es un gas). Está sobre los 20 Km. de altura su parte inferior, pero hay momentos en que fluctúa la base hacia arriba.
Su tope promedio máximo se suele considerar que está a unos 60 Km. Aunque la carga se mueve hasta los 300 Km., luego la ionosfera está en la mesosfera y la termosfera.
Características:
Mas que la concentración de iones es el tipo de molécula o átomo ionizado lo que caracteriza la ionosfera.
La presencia de concentración de unos tipos de iones da lugar a un fenómeno de conductividad del aire.
Se podría definir la ionosfera como la región de la atmósfera que se comporta como un conductor eléctrico, hasta el punto de permitir la reflexión de las ondas radioeléctricas emitidas por el hombre.
Esta característica es consecuencia de la concentración de iones, la pequeña densidad del aire y la escased de partículas neutras aislantes.
Fotoquímica de la ionosfera.
En los altos niveles, la radiación es longitud de onda (l) mas corta, ionizará átomos y moléculas y da también como resultado un electrón (e-)
La radiación electromagnética convierte el aire en un conductor.
A medida que la radiación disminuye por debajo de los 1500 Å es más capaz de ionizar:
O2 + hn < --------- > O2 + + e-
O + hn < --------- > O + + e-
N2 + hn < --------- >N2 + + e-
N + hn < --------- > N + + e-
NO + hn < --------- > NO + + e-
Estos son los iones primarios.
Los secundarios:
O+ + O2 < ----------- > O + + O2 +
O+ + N2 < ----------- > NO + + N
Los iones no pueden mantenerse indefinidamente, ya que desaparecen al recombinarse con los e- libres.
Los iones atómicos precisan de un tercer cuerpo “M” (suelen ser partículas neutras) para poder recombinarse con un e-.
La misión de “M” consiste en absorber el exceso de energía producido.
De no ser así, el átomo conservaría suficiente energía para ionizarse de nuevo.
En los niveles donde escaseen los “M”, para que el ion atómico desaparezca debe transformarse previamente en un ion molecular, por ejemplo:
O+ + O2 < ----------- > O + O2 +
Así los iones moleculares no precisan de un tercer cuerpo que recoja la energía sobrante ya que ésta energía es utilizada para la disociación.
Y después ya se recombinan de la siguiente manera:
O2 + + e- < ---------- > O + O
NO + + e- < ---------- > N + O
N2 + + e- < ---------- > N + N
La concentración de iones atmosféricos está asociada al establecimiento del equilibrio fotoquímico entre los procesos continuos de creación y descomposición de iones.
En la ionosfera ¿quiénes son los causantes del equilibrio químico?
El 70% de la energía para la fotoquímica es debida a la radiación ultravioleta, el resto rayos cósmicos, rayos X....
¿Cómo son las fluctuaciones del campo eléctrico atmosférico?
Hay una variación diaria (onda corta): Presenta un máximo en pleno día y un mínimo nocturno.
Hay otra oscilación de periodo largo o anual, aunque no tiene porqué ser de doce meses.
Esta oscilación larga varia fundamentalmente con:
- La época del año, por la radiación electromagnética que llega del Sol.
- El número de manchas solares, se produce mayor o menor actividad en la ionosfera.
- Actividad solar.
Esta oscilación está muy relacionada con las rachas del viento solar (y estelar, pero la mayor parte es del Sol) y con las tormentas magnéticas o ionosféricas.
......
Gloria:
......
Regiones ionosféricas.
Se definen 4 zonas en la ionosfera según la radiación electromagnética que reciben las distintas capas atmosféricas.
La radiación de electromagnética de mayor longitud de onda tiene mayor energía, será absorbida en los niveles altos de la ionosfera.
Cuanto mayor es la longitud de onda es menos energética, el trayecto recorrido es mas largo, puede alcanzar niveles más bajos.
Si esto fuera solo así, tan simple, siempre habría el mismo tipo de reacciones en cada capa.
Debido a la existencia de “ventanas” en el espectro electromagnético, la radiación puede alcanzar niveles inferiores que no corresponden con su valor energético.
Así, la distribución de la radiación electromagnética con la altitud ya no es lineal.
Las cuatro regiones nombradas anteriormente se denominan: D, E, F1, F2 siendo las dos últimas dos subregiones.
No se caracterizan por su altura promedio sino por la densidad de iones y cargas que se presentan en esa zona.
Región______ Altura (Km) _______Densidad superficial (e-/cm2
D <90 103 - 104
E 90 – 140 105
F1
> 140 Máximo de 10 6 en la capa 290 – 300 Km
F2
Características de las capas
F1, F2
Comunes: La longitud de onda de la radiación incidente (100 Å y 800 Å), corta, es la responsable de ionizar el nitrógeno atómico y produce O+, N 2+, N+ y secundarios O2+, NO+
El O+, es el dominante y el menor N 2+.
Diferencias:
F1 presenta un comportamiento más sistemático, la F2, es más irregular porque al ser la más externa es la que recibe en primer lugar los efectos de las tormentas ionosféricas.
F1 ~ 160 Km
F2 ~ 300 Km
E ~ 110 Km de altitud.
La radiación ya no es la mas energética, las longitudes de onda son mayores que las anteriores
l < 1026 Å ioniza el oxígeno molecular
Y l < 910 Å ioniza el oxígeno atómico.
Son capaces también de formar N 2+ que reacciona con O2 y O y forman O2+, NO+, siendo los iones NO+ los más abundantes en esta capa.
D
La radiación de l = 1220 Å – 1800 Å ha sido agotada en los procesos de recombinación del O2.
La l < 1026 Å en ionizarlas y la l > 1800 Å ya no es capaz de producir ninguna ionización.
Sin embargo, en la banda l = 1020 Å – 1222 Å existen “ventanas” a partir de las cuales la radiación es capaz de llegar a la capa D sin perder nada de energía.
Por ejemplo, la l= 1216 Å es capaz de ionizar el NO presente.
Además la radiación debida a los rayos X y radiación cósmica contribuyen en esta región.
Otra característica peculiar de la capa D es la existencia de reacciones que no se dan en otras capas: se ionizan moléculas para dar moléculas negativas a partir de la colisión con e-.
O2 + e- < --------- > O 2 -
Dado que la concentración de O2 disminuye con la altura, es de esperar que los iones negativos se formen predominantemente en las capas inferiores de la región D y, por consiguiente, sus concentraciones disminuyen con la altura.
Tanto es así que los iones negativos están prácticamente ausentes en las demás regiones ionosféricas.
Los iones primarios NO +, O2 +, O2 -, pueden sufrir reacciones secundarias con gran variedad de “M”.
La región D es la mas completa, la más variable y la más voluble.
Capa dieléctrica entre la placa positiva y negativa del condensador:
Conductividad del aire:
La capa de aire por debajo de la ionosfera y la superficie terrestre no es un dieléctrico perfecto.
Las medidas evidencian grandes diferencias geográficas y temporales y es función de los iones. Y la cantidad y tipo de iones de esta capa es función segunda de la altura a la que nos encontremos y de la densidad de carga.
Tiene que haber una relación de interdependencia entre algunos de los parámetros eléctricos como la conductividad del aire y alguno de estos otros tres parámetros: concentración, naturaleza y movilidad de los iones. ¿Cuál es la causa origen de la energía en la atmósfera? ¿Cuáles son los agentes ionizantes?
Ya no se puede hablar de la radiación UV porque ha quedado absorbida mayoritariamente en la ionosfera.
Por debajo de 1800 Å también han sido absorbidas y los rayos X no tienen presencia activa.
Los agentes ionizantes de la baja atmósfera son básicamente de tres tipos:
Radiación b y g de algunos minerales sólidos presentes en la superficie de la Tierra. La a no es suficientemente energética.
Rayos cósmicos.
Gases radiactivos, mayoritariamente radón, el emitido por el granito llega a 10 Km.
La concentración iónica será mayor por tanto sobre la superficie de los continentes que sobre los océanos. Esta concentración iónica promedio en las superficies continentales es de 400 a 500 iones/cm3.
Iones Troposféricos.
Seria de esperar que la composición química iónica de la población iónica guardase parecido con la composición del aire, es decir, hubiera un predominio de los iones moleculares de oxígeno y nitrógeno. Esto no ocurre.
Hay sucesivos procesos ionizantes de los iones primarios (de algunos microsegundos) que al reaccionar con “M” acaban por unirse al (H2O) v
De todos los compuestos iónicos presentes en la troposfera, los que más contribuyen a la conductividad del aire son los llamados iones rápidos (ligeros, rápidos y los más abundantes).
La movilidad de estos iones depende del grado de hidratación que presentan (realmente no se combinan con el agua, se “pegan”), dando la posibilidad de que se adhieran a otras moléculas (NO2, SO2).
Los conglomerados de moléculas son iones pequeños que al juntarse con partículas materiales (más grandes) del aerosol atmosférico forman iones más grandes.
Pues se observa como en zonas no contaminadas (océanos), la concentración de iones grandes es mucho menor que la de iones pequeños y en áreas contaminadas puede invertirse esa tendencia.
En la troposfera, la concentración de iones positivos es mucho mayor que la de iones negativos.
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Gloria:
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Efectos sobre los seres vivos.
Los seres humanos son sensibles a la electricidad atmosférica.
Según la creencia popular se producen malestares, agobio, depresión...
Sin embargo hay controversia científica ya que no están contrastados los efectos sobre los seres vivos.
Pero es evidente que el tiempo atmosférico generalmente si nos afecta física y psíquicamente.
Los elementos climáticos más influyentes son la temperatura y la humedad, pero no la presión como se dice habitualmente (Con la altura sí, pero no en un lugar concreto ya que la variación de presión en un sitio fijo es muy pequeña)
No se sabe si la presión, la humedad y la temperatura influyen sobre el campo eléctrico o si E afecta a P, H, T.
Lo que hace que sea desconocido es:
- La complejidad de los procesos de ionización.
- La escased de series largas. Pocos datos experimentales sobre variables eléctricas.
- Desconocimiento de los procesos bioquímicos mediante los cuales las cargas iónicas actúan sobre el ser humano.
En el futuro si habrá estudios serios sobre el tema y una unión entre el estudio de la electricidad atmosférica y la biometeorología.
Si hay estudios puntuales. Con estos estudios se ha comprobado que las masas de aire que se encuentran cargadas con una mayor densidad de iones positivos perturban al ser humano y a los seres vivos, por ello a los iones positivos se les denomina “gruñones”. Y las que se encuentran cargadas con una mayor densidad de iones negativos tienen efectos positivos, de ahí el nombre de iones “felices”.
A.L Tchijewsky, en los años 60 realizó estudios en las fábricas rusas con la intención de “...aumentar la capacidad de trabajo y mejorar el nivel de salud...” Aumentó el nivel de iones “felices” por los respiraderos.
A.P. Krueger(Austria) comprueba que los iones negativos destruyen bacterias purificando el aire.
Korublueh (Alemania) Estudia cómo la mayor o menor presencia de iones positivos o negativos afecta a la curación de quemaduras. Las cargas negativas tienen efecto antiséptico en quemados y la mejoría es más rápida.
F. Soyka (Americano) estudia la contaminación eléctrica en el interior de grandes oficinas y centros comerciales.
Efecto vivificador de las tormentas.
La vida terrestre depende de la concentración de nitratos en el suelo. Estos son fácilmente solubles.
Los suelos ricos y productivos tienen alta concentración en nitratos.
Al ser solubles son fácilmente arrastrados y hay que reponerlos.
En la atmósfera hay grandes cantidades de N2 atmosférico. Hay una serie de bacterias que fuerzan al N2 atmosférico a combinarse con otros compuestos, como las sales minerales, formando nitritos o nitratos.
Todo este efecto de las bacterias nitrificantes se complementa con la acción de las tormentas:
Con los rayos se alcanzan altas temperaturas, al enfriarse da la energía de ionización necesaria para estas reacciones: N2 + O2 ---------- > NO2 que precipita disolviéndose en agua, se oxida el NO2 y da ácido nítrico NO3H(acuoso). Este se recombina al precipitar y da finalmente nitratos, produciéndose una nitrificación de los suelos.
Esto está estudiado por E. Frauzblou y C. Popp.
Con una densidad de ~ 100 rayos/segundo se produce un aumento de los nitratos en un 50% (Claro, que en ningún sitio se producen 100 rayos por segundo :P )
Quebrantahuesos:
Gracias Gloria por este tan interesantísimo artículo. ;)
Saludos
isotacas:
WOOW!!!!!!!![/color][/size][/b]
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