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Cómo las tormentas de arena generan espectaculares relámpagos
Una de las características fascinantes de las columnas de nubes volcánicas son las extraordinarias exhibiciones de rayos que generan. Descargas similares ocurren en tormentas de arena y en el polvo que levantan los helicópteros que sobrevuelan los desiertos y provocan peligrosos arcos eléctricos. Estas tormentas eléctricas son tan desconcertantes como espectaculares.
El problema tiene dos partes. Primero, las partículas de arena son más o menos idénticas, en tamaño, forma y química. Entonces, ¿cómo transfieren la carga entre ellos? En segundo lugar, las partículas de arena son aislantes, no conductores, lo que hace que sea doblemente extraño que puedan estar involucradas en la transferencia de cantidades tan masivas de carga. ¿Qué diablos está pasando?
Hoy, Thomas Pähtz del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich y un par de amigos dicen que pueden explicarlo todo con un nuevo modelo engañosamente simple. Además, su modelo hace algunas predicciones sencillas sobre la forma en que las partículas de arena transfieren la carga.
Esta es su idea. Empiezan por pensar en las partículas de arena como esferas dieléctricas idénticas. En un campo eléctrico, las partículas dieléctricas se polarizan, lo que hace que la carga se acumule a cada lado de las esferas de arena. Cuando dos esferas se tocan, la carga se redistribuye a través del límite entre ellas, creando una partícula doblemente polarizada más grande. La idea clave es qué sucede cuando esto se vuelve a dividir en dos: cada partícula termina con una carga neta (vea la imagen de arriba). El proceso de polarización comienza nuevamente permitiendo que las partículas aumenten su carga aún más con cada colisión. No es difícil ver cómo un número relativamente pequeño de colisiones podría terminar transfiriendo grandes cantidades de carga de esta manera a pesar de la ausencia de cualquier tipo de medio conductor.
Este modelo hace algunas predicciones interesantes sobre la velocidad a la que una nube de arena debe bombear la carga. Por ejemplo, predice que las nubes poco profundas de polvo terminarán cargándose solo débilmente. Esto es lo que podría esperar de vientos débiles o granos pesados. Del mismo modo, las nubes muy espesas deberían dar como resultado una carga débil. Sin embargo, Pahtz y compañía dicen que en nubes intermedias, debería haber una carga dramática. Y, efectivamente, eso es exactamente lo que encuentran, tanto en simulaciones numéricas de nubes de polvo como en experimentos reales que han realizado con arena real.
Encontramos, como se predijo, que los lechos agitados poco profundos, como podría esperarse con vientos débiles o para granos pesados, se cargan débilmente, al igual que los lechos agitados muy profundos, como se esperaría para materiales altamente disipadores. Sin embargo, en condiciones intermedias, observamos una carga espectacular, con las partículas más cargadas que se encuentran preferentemente cerca de la parte superior del lecho agitado, dicen.
Es una idea elegante que produce resultados fascinantes. Pero deja abierta una cuestión muy importante. En tormentas reales, ¿qué genera el campo eléctrico que polariza las partículas de arena en primer lugar? Parece que Pahtz y compañía tendrán un tiempo interesante por delante para llegar al fondo de eso.
Ref: http://arxiv.org/abs/1003.5188 ¿Por qué las nubes de partículas generan cargas eléctricas?