¿Por qué los rayos generan múltiples ramas?

Sé que esto es un poco más de lo que pediste, pero el relámpago es muy interesante.

Un evento de relámpago generalmente se llama flash y dura aproximadamente 0,5 segundos. Consiste en un líder escalonado casi invisible seguido de un golpe de retorno muy brillante hacia atrás a lo largo del camino del líder escalonado. Después del primer trazo, puede haber trazos adicionales en el flash, siguiendo casi el mismo camino que el primero. Puede haber ligeras desviaciones debidas a otros difuminados llamados dardos .

Más de la mitad de todos los relámpagos ocurren dentro de una nube y se denominan descargas IC. El tipo de destello de mayor importancia práctica es el rayo de nube a tierra (CG). Otros tipos de relámpagos más raros son los relámpagos de nube a nube y de nube a aire. Tenga en cuenta que el destello brillante que vemos es el golpe de retorno, por lo que los rayos de nube a tierra parecerán comenzar cerca del suelo y se acercarán hacia arriba; el líder escalonado inicial sucedió primero, comenzando en la nube.

La separación de carga típica en una nube cumulonimbus da como resultado que la parte superior de la nube tenga una carga neta positiva, cerca de la parte inferior tenga una carga neta negativa y, ocasionalmente, el extremo inferior tenga una pequeña carga positiva. El efecto general es que una gran carga negativa (de 15 culombios de magnitud) está más cerca del suelo que la carga positiva. Esta estructura de carga hace que el suelo se polarice positivamente cuando los electrones negativos son "empujados" por la nube.

El aire normalmente es un aislante, pero si la separación de carga por distancia es demasiado grande (ya sea por la gran carga o por la pequeña distancia), puede convertirse en conductor. Se desconoce el evento de iniciación, pero los científicos actualmente especulan que la radiactividad atmosférica (del radón-222) o la creación de iones a partir de reacciones estratosféricas con rayos cósmicos (protones solares, otras partículas cargadas o fotones de alta energía) pueden desencadenar un destello.

En cualquier caso, la carga negativa se mueve en pasos de unos 50 metros de largo a través de una pequeña vía conductora en el aire, deteniéndose de 20 a 50 microsegundos en cada paso, llegando al suelo en unas pocas centésimas de segundo. La corriente en estos líderes está entre 100 y 1000 amperios. Después de cada paso, el líder cambia de dirección a medida que se abre un nuevo camino de conducción.

Después de que el líder llega al suelo, se libera un tremendo estallido de energía en el golpe de retorno a lo largo del camino del líder a medida que se combinan los iones positivos en el suelo y los electrones en el líder. Esta recombinación produce una corriente de 20000 a 30000 amperios y una temperatura de hasta 30000 K. La temperatura de la superficie del Sol es de 5800 K. Esta tremenda liberación va acompañada de un destello óptico brillante, un pulso electromagnético y la rápida Expansión del aire caliente. El tamaño típico del canal de carrera de retorno es de 1 a 2 pulgadas de diámetro.

Si el golpe inicial no resuelve la separación de carga, más carga de la nube viajará al suelo a lo largo del camino original. Esto se llama un líder de dardos. Cuando llega al suelo (alrededor de 10 veces más rápido que el líder escalonado), se produce un golpe de retorno adicional a lo largo del camino. El tiempo entre golpes es del orden de centésimas de segundo, pero podría ser tan largo como una décima de segundo. Cualquiera que observe una tormenta eléctrica ha visto múltiples golpes a lo largo del mismo camino.

El rayo se ramifica para que pueda reducir la resistencia del camino que lleva al suelo. Como sabes, cuando conectas dos resistencias idénticas en paralelo, la resistencia equivalente es menor que la de las dos en serie. La ramificación esencialmente hace eso. Crea caminos cada vez más paralelos por los que los electrones pueden fluir, reduciendo así la resistencia total del viaje del cielo a la tierra.

El mecanismo de cómo se ramifica es similar al de la ramificación de los ríos. Las corrientes de agua se ramifican cuando se acercan a una masa sólida para que puedan moverse con menor obstrucción alrededor de la masa.

Esta es una respuesta un poco retrasada, pero dado que la teoría del rayo aún está en desarrollo, no debería haber ningún daño en especular un poco más al respecto.

Como se mencionó en otras respuestas, una iluminación entre una nube y el suelo generalmente comienza en una nube como una corriente negativa que se dirige hacia abajo.

Veámoslo con más detalle.

Primero, necesitamos entender de dónde vienen estas cargas negativas.

Esas cargas probablemente no sean electrones libres y probablemente no sean moléculas de agua: son iones negativos de moléculas de aire. Siempre hay algunos iones negativos y positivos flotando, pero cuando son acelerados por el campo creado por una nube cargada, dividen las moléculas de aire neutral y pueden iniciar una reacción en cadena que ioniza el aire a lo largo de las líneas de campo.

Mientras que los iones negativos se precipitan hacia el suelo, formando más pares de iones en el camino, los iones positivos se precipitan hacia la nube haciendo más o menos lo mismo. Pero mientras que los iones negativos tienen un largo camino por recorrer, los iones positivos comienzan a regresar a la nube y neutralizan la carga en la nube tan pronto como comienza el proceso.

A medida que la nube se neutraliza alrededor del origen de la iluminación, nuevas cargas de otras partes de la nube se precipitan para mantener las cosas en marcha. Pero no van a llegar instantáneamente, por lo que podríamos especular que el campo que empuja al líder se debilitará un poco después del estallido inicial. Quizás esto podría hacer que el líder se detenga y espere hasta que se reponga la carga en su origen en la nube. No estoy afirmando que esta sea la explicación de la naturaleza explosiva del líder, sino solo haciendo una observación.

Dado que, como sugerimos, la corriente del líder está formada por moléculas de aire que se mueven hacia arriba y hacia abajo y chocan mucho, podríamos esperar que este aire (viento) que se mueve rápidamente cree muchas turbulencias en su camino.

Con eso en mente, es natural que algunos de los iones puedan desviarse del camino recto y, si son lo suficientemente energéticos, posiblemente puedan iniciar caminos alternativos.

Por lo tanto, incluso si el aire era perfectamente uniforme antes de que comenzara la iluminación, se perturbará por completo a medida que avance el rayo, creando múltiples oportunidades para la ramificación.

No sé si la ramificación tiende a ocurrir al final de los "pasos", pero si lo hiciera, no sería ilógico, ya que la llegada de una nueva ola de energía podría requerir múltiples salidas.

No ramifica. Se fusiona, como el agua que fluye cuesta abajo. Debido a que la carga se mueve de un gran espacio disperso (la tierra) a un pequeño espacio concentrado (la nube), de la misma manera que una corriente se une a un río que fluye hacia un río más grande encuentra una capacidad de erosión cada vez mayor y menos resistencia. La ramificación es una señal de que la carga se mueve principalmente hacia ARRIBA, no hacia abajo.

Debido a que el aire de alguna manera es como una pared monumental para la electricidad, imagina si tienes una burbuja de aire en un volumen cerrado en una pared sólida y la tensión de la presión en esta burbuja aumenta, entonces, cuando la tensión sea lo suficientemente grande, la presión romperá la pared, Entonces aparece una grieta y para comprender más profundamente, debemos entender que esta pared tiene una estructura como los sólidos, por lo que se agrieta en un camino específico de acuerdo con la estructura interna, de esta manera, el aire o el vacío es una pared sólida para la electricidad, también este proceso de alguna manera. caótica, la física es cierta ciencia, pero hay procesos caóticos que son impredecibles, debido a muchos parámetros o parámetros que están fuera del sistema.