¿Podrían las nubes en las alas de los aviones producir rayos?

Los relámpagos ocurren cuando se acumula una carga eléctrica dentro de una nube, debido a la electricidad estática generada por gotas de agua sobreenfriada que chocan con cristales de hielo cerca del nivel de congelación. Cuando se acumula una carga lo suficientemente grande, se producirá una gran descarga y se puede ver como un rayo (de Wikipedia ).

Por lo tanto, necesita dos cosas para que ocurra un rayo: una acumulación de carga en un lugar y un gradiente de carga (diferencia en la carga, como entre dos nubes o una nube a la superficie) para que ocurra un rayo.

En base a esto, hay pocas posibilidades de que se acumule carga y se descargue en la condensación sobre las alas; tiene una vida demasiado corta para que se acumule carga dentro de sí misma y las cargas sobre las alas del avión se disipan mediante mechas estáticas en los bordes posteriores, por lo que tampoco hay posibilidad de que la 'nube' llegue a la superficie del ala.

La fricción crea electricidad estática.

Tiene razón en el principio: los electrones se separan del aire o de las moléculas de vapor de agua debido a la fricción que se produce en la capa límite y otras áreas de fricción. Instantáneamente se crean dos tipos de electricidad estática: negativa donde se ubican algunos electrones arrancados y positiva donde se ubican moléculas de aire a las que les falta un electrón (estas moléculas se denominan "iones" para indicar su desequilibrio electrónico).

Los iones se neutralizan de forma natural.

Sin embargo, las cargas opuestas se atraen entre sí, los iones se recombinan pronto con sus electrones separados detrás de la aeronave, la cantidad de iones o electrones aislados –el "potencial eléctrico"– en cualquier momento no se acumula de modo que una diferencia de potencial con el suelo, otra masa, o entre iones y electrones es suficiente para crear una descarga electrostática significativa.

^{Nótese que la recombinación es acelerada por el agua en el aire, ya que el agua –con impurezas– es mejor conductora de la electricidad que el aire seco. La condensación no ayuda a la creación de carga estática en los aviones.}

Se requieren enormes diferencias de potencial para los rayos.

La diferencia de potencial se mide en voltios*. Se requieren 3.000 V para iniciar una ruptura electrostática por cada milímetro de aire seco –el voltaje utilizado en una bujía de automóvil es unas 10 veces este valor para asegurar una buena chispa– o 3 GV por km.

^Fuente

Si los electrones quedaran atrapados en la superficie del avión, el potencial del avión alcanzaría el valor necesario para crear un rayo con el suelo :-)

Entonces, ¿por qué los relámpagos ocurren con las nubes pero no con los aviones?

La superficie de fricción de las alas es ridículamente pequeña en comparación con la superficie de fricción de la enorme nube cumulonimbus. La electricidad estática creada no es del mismo orden de magnitud. Esa es una primera razón, pero también hay una diferencia significativa en el comportamiento de las cargas.

En los rayos naturales, los electrones y los iones positivos son creados por el viento violento dentro de nubes específicas. Sin embargo, al contrario de lo que sucede con un avión, y por razones que aún no se comprenden del todo , las partículas cargadas se separan físicamente : los iones positivos se mueven en la parte superior de la nube, mientras que las cargas negativas se mueven en el centro, donde se combinan temporalmente con moléculas neutras para formar iones negativos

Una cantidad menor de iones positivos también se mueve en la parte inferior. Este fondo de nube positivo también mueve las cargas negativas del suelo en su nadir, lo que a su vez reduce el espesor de la capa de aire por la que se mueve y, al mismo tiempo, aumenta el gradiente del campo eléctrico.

^Fuente

A medida que continúa la fricción en la nube, el potencial eléctrico aumenta hasta que la diferencia de potencial entre la parte inferior de la nube y el suelo alcanza el umbral de voltaje requerido para la ruptura. El gran calor de descomposición de la avalancha crea plasma utilizado por las partículas en exceso para unirse al suelo atractivo. Este fenómeno es complejo y aún no del todo explicado tampoco.

^{*: El voltio es el potencial eléctrico requerido para crear un julio de trabajo con una carga de un culombio. Vea esta bonita página para más detalles.}

¿Esta nube que se forma sobre el ala de un avión puede producir una actividad relámpago como otros tipos de "nubes normales"?

No. Los relámpagos requieren nubes grandes y duraderas en las que el aire cálido y húmedo pueda subir, condensarse y caer de nuevo. Ese tipo de estructura no puede existir en una nube tan pequeña y temporal como una estela.

La página de Wikipedia sobre tormentas eléctricas contiene mucha información sobre lo que se necesita.

Lo que ves sobre las alas es condensación , pero técnicamente no es una nube.

Las nubes están suspendidas en la atmósfera debido a la saturación prolongada . No es una caída de presión momentánea localizada.

Esas condensaciones se disipan tan rápido como se forman, no hay suficiente tiempo para que se carguen.

TL-DR : los rayos son posibles no por la disponibilidad de electrones libres (algo muy común en la naturaleza y en la atmósfera en particular), sino por la existencia de alguna fuerza no eléctrica que separa los iones positivos y negativos (a pesar de su atracción electrostática), sobre escalas lo suficientemente grandes como para dar lugar a un gran aumento repentino en el número de electrones energéticos libres, una vez que se alcanza un valor umbral del campo eléctrico. No existen tales fuerzas sobre la superficie de un metal.

Todas las respuestas anteriores son correctas, pero tocan de pasada (y no todas, además) el requisito previo clave para la formación de rayos: el mantenimiento de la separación de carga a gran escala, es decir , en la escala de kilómetros.

Los gases ionizantes son razonablemente fáciles, y todo tipo de fuerzas pueden cortar los enlaces entre los electrones más externos (y menos unidos) de sus (acertadamente llamados) átomos donantes. Pero esto ocurre de manera bastante uniforme en un gas promedio como la atmósfera de la Tierra, lo que significa que, en cualquier volumen microscópico dado, hay tantos iones positivos como negativos. El campo eléctrico resultante está casi desapareciendo, y es imposible lograr el gran campo eléctrico necesario para la descarga de un rayo (aproximadamente 3GV por km, como se indica en mins ).

Por ejemplo, en el ala de un avión, que es un excelente conductor, las fuerzas eléctricas tenderán a mantener los iones positivos y negativos (=electrones) muy cerca uno del otro, y nunca se producirá un campo eléctrico a gran escala.

La clave para explicar los rayos es que hay otras fuerzas que tienden a separar los electrones y los iones positivos, a distancias muy grandes. Esto ya lo han dicho mins (aunque lo creo menos claro), y David Rickerby . El hecho de que la naturaleza de estas fuerzas no se entienda claramente no resta valor al hecho de que esto es lo que hace que los rayos sean posibles.

Es fácil entender por qué son necesarios campos eléctricos tan grandes: un electrón que golpea un átomo neutro puede ionizarlo, liberando así un electrón más que producirá el doble de electrones libres que nuestra situación inicial en la que solo tenemos un electrón. Pero al ionizar un átomo neutro, el electrón original perderá energía y es posible que no pueda ionizar otro átomo cuando ocurra la próxima colisión, y/o podría producir un nuevo electrón que tampoco tiene suficiente energía cinética para ionizar el siguiente. neutral golpea: por lo tanto, no hay cascada, por lo tanto, no hay aumento en el número de electrones, por lo tanto, no hay relámpagos.

A menos que... el campo eléctrico sea tan fuerte que reponga la energía del electrón original (y por supuesto también de sus hermanos recién formados) con suficiente energía entre colisiones para ionizar también el próximo neutro. En otras palabras, los electrones se reabastecen de energía entre colisiones, cortesía del campo eléctrico, para comenzar de nuevo el proceso. Esto explica los 3GV por km: la energía necesaria para ionizar un electrón débilmente ligado es de aproximadamente 3eV, y el camino entre colisiones en la atmósfera es de aproximadamente 0,0001 cm. Esto implica que un solo electrón adquirirá 3GeV en un km (gracias al campo eléctrico), lo que corresponde a una caída de potencial de 3GV en 1 km, exactamente la cifra de minutos .

Lo anterior también explica la descarga repentina : cuando el campo eléctrico excede el valor umbral anterior, el número de electrones se duplica en cada colisión: la distancia típica en el aire entre colisiones es de 0,0001 cm , por lo que, en el transcurso de 1 km, un buen valor para el espesor de la nube, un solo electrón produciría una cascada de 2^10^9 electrones. Este número es irrealmente grande (el número total de electrones libres producidos está limitado por la cantidad finita de energía disponible, aproximadamente la de un capacitor de 1 km de tamaño y un campo eléctrico de 3 GV por km), pero da una buena idea de cómo un rayo es repentinamente publicado. De hecho, esto es una cascada, una ruptura repentina del vacío .. Para valores más bajos del campo eléctrico, los electrones recién formados no tendrán suficiente energía para ionizar el próximo neutro que golpeen; para valores más grandes lo harán, provocando así un aumento repentino en su número.

¿Avión produce relámpagos? SI. El campo eléctrico de la tormenta es multiplicado por el avión y puede desencadenar un rayo.
https://www.scientificamerican.com/article/what-happens-when-lightni/

¿Las nubes formadas sobre el ala de un avión producen actividad de rayos al igual que otros tipos de "nubes normales"? NO. La carga que hipotéticamente puede producir es un orden de magnitud más pequeña si se crea.