Si los rayos son causados ​​por la ionización del aire, ¿por qué solo duran poco tiempo?

El rayo es una descarga electrostática. Después de ese fenómeno, la atmósfera y el suelo se neutralizan temporalmente. Por lo tanto, se acabó en un abrir y cerrar de ojos.

El fuego es un subproducto de alguna reacción química y, por lo tanto, puede durar más tiempo.

https://www.quora.com/Científicamente-hablando-hay-alguna-conexión-entre-fuego-y-rayo

El fuego es una reacción química alimentada por algún producto que se somete a combustión , generando energía al romper (generalmente) las moléculas de la cadena de carbono en$CO_{2}$y$H_{2}O$. Mientras haya combustible más oxígeno disponible y no haya fuerzas extintoras presentes, el fuego continuará ardiendo. Los rayos , por el contrario, requieren una descarga electrostática para descomponer las partículas neutras en un gas ionizado. Esto resulta de un campo eléctrico muy grande. Una vez descargada, la energía del campo eléctrico desaparece, por lo que no hay nada que continúe sosteniendo el pulso del rayo (es decir, el flujo de corriente).

La ionización, la disociación y la recombinación ocurren en escalas de tiempo extremadamente rápidas en una atmósfera con densidades numéricas que empujan ~$10^{19} \ cm^{-3}$. El fuego es, en el mejor de los casos, un plasma polvoriento MUY débilmente ionizado (por ejemplo, consulte la discusión en https://physics.stackexchange.com/a/340276/59023 ).

Como se indica en https://physics.stackexchange.com/a/288810/59023 , el tiempo de recombinación es proporcional a$\propto \sqrt{ \tfrac{ T_{e} }{ n_{e}^{2} } }$, dónde$T_{e}$es la temperatura de los electrones y$n_{e}$es la densidad numérica de electrones. El valor para$n_{e}$en una descarga de rayo es del orden de ~$10^{17}--10^{18} \ cm^{-3}$y la temperatura es ~0.7-4.3 eV, lo que significa que las escalas de tiempo de recombinación serán pequeñas (es decir, lo más lento que esperaría sería microsegundos o menos).

Para el fuego, la fuente de energía es la energía "química" almacenada en los compuestos que reaccionan, mientras que para los rayos, la energía almacenada es de naturaleza electrostática debido a la separación de cargas.

Comparando potencia, fuego de gas -$4\times 10^3$vatios y rayos -$3\times 10^8$voltios y$3\times 10^4$amperios$\Rightarrow \approx 10^{13}$vatios, notará que la velocidad a la que se disipa la energía en un rayo es mucho, mucho mayor que en un fuego de gas.
Por lo tanto, uno esperaría que el rayo durara mucho menos tiempo que el de un incendio químico.

@Peter-ReinstateMonica ha hecho un comentario válido de que solo comparé poderes, así que aquí hay un análisis que da como resultado un tiempo para la respuesta del evento.

Una estufa de gas tiene una potencia nominal de aproximadamente$4\,\rm kW$y supongamos que funciona con un cilindro de propano que contiene$10\,\rm kg$de gas con un valor calorífico de$50\,\rm MJ\,kg^{-1}$.
Entonces, si funciona continuamente, el cilindro durará aproximadamente un día .

El artículo Medición de las propiedades eléctricas de una nube tormentosa a través de imágenes de muones por el experimento GRAPES-3 tiene algunas estimaciones en la página 4 con respecto a las nubes tormentosas.
Hay una estimación de$\ge 720 \,\rm GJ$almacenado a un potencial de aproximadamente$1\,\rm GV$.
Tomando la cifra de la corriente durante la caída de un rayo como$30\,\rm kA$da un tiempo estimado para una descarga completa (que es poco probable) de la nube para ser$\mathbf 20\, \rm ms$.

Imagina mirar un fuego, digamos la llama de una vela. Hay una región con gas parcialmente ionizado en el borde de la llama visible en la parte inferior de la llama. Piense en el gas en ese lugar. Es una mezcla de aire del entorno y cera evaporada que sale de la mecha, experimentando reacciones químicas que la calientan. El problema crucial es que el gas no está en reposo, sino que se mueve hacia arriba a través de la llama a una velocidad significativa.

¿Dónde estaban las moléculas de gas que reaccionan entre sí en la llama justo en este instante una fracción de segundo antes? Algunos de ellos estaban en el aire circundante, siendo atraídos hacia la llama, y ​​algunos estaban dentro de la mecha en forma de cera líquida que luego se evaporó. Y una fracción de segundo después, se elevarán por encima de la llama y dejarán de emitir cantidades apreciables de luz.

Los átomos y moléculas que se ionizan en un momento dado lo están solo por un corto intervalo de tiempo. El gas dentro de la parte de la llama donde hay una ionización significativa se mueve constantemente y el gas que sale de esta zona está siendo reemplazado por otro gas que se mueve dentro de ella. Esto significa que la duración de la ionización también es bastante corta en el caso de la llama, cuando se mira desde el punto de vista de las moléculas de gas, similar al caso del rayo.

La diferencia es que en el caso de un rayo, todo el volumen de gas se ioniza casi a la vez, luego se recombina y el proceso termina, mientras que en el caso de una llama es un proceso de estado estacionario con nuevos reactivos moviéndose hacia la llama y los productos de reacción se mueven continuamente, pero la duración de la ionización de las moléculas individuales también es corta, como se explica en la respuesta de honeste_vivere .

Como muchos (si no la mayoría) de los carteles de preguntas en este sitio, usted parte de una premisa falsa. Los rayos no son causados ​​por la ionización del aire. Es causado por la polarización de las cargas estáticas en la parte inferior de la nube y el suelo. Los rayos ni siquiera necesitan aire para propagarse, ni ningún otro medio. Aunque la descarga es el resultado de la ruptura dieléctrica del aire dentro del potencial de la diferencia de carga, el vacío también tiene una constante dieléctrica que puede ser superada fácilmente por los grandes voltajes generados por la polarización estática de estas cargas.