Parece que algunos rayos (descargas eléctricas) en nubes convectivas no van acompañados del sonido tan llamativo y característico que conocemos como trueno ¿por qué?
Efectivamente, cuando vemos rayos a grandes distancias su efecto sonoro se ve atenuando por los elementos atmosféricos. Siempre se escucha el trueno con retardo por la diferencia de la velocidad de la luz de los rayos y la velocidad del sonido del trueno. A grandes distancias en trueno ya no se oye. Pero en determinadas condiciones el trueno de un rayo más cercano se pude desvanecer antes de que llegue a nuestros oídos.
El relámpago se produce cuando una corriente eléctrica pasa a través de un canal de aire de uno a dos centímetros de diámetro. La corriente calienta el aire en cuestión de milisegundos a unos 30.000 ° C, provocando la expansión explosiva y una onda de choque. A pocos metros del canal, la onda de choque se convierte en una señal acústica (sonido), una onda, que a su vez se aleja de la canal en todas direcciones a la velocidad del sonido. El trueno de diferentes partes del canal llega a sus oídos en diferentes momentos dependiendo de la distancia entre usted y todas las piezas del canal, que puede estar fácilmente de varios kilómetros de largo. Es por eso que el trueno puede retumbar durante muchos segundos después de la explosión inicial. Si los rayos son frecuentes, con una o más descargas por segundo, el estruendo puede ser continuo.
Una segunda causa es que el trueno genera principalmente ondas de infrasonido – ondas acústicas con frecuencias inferiores a 20 Hertz (Hz), que no se pueden oír. Esto está asociado con la contracción repentina de un gran volumen dentro de la tormenta inmediatamente después de que el rayo elimine la carga de ese volumen. Los truenos infrasónicos no se discutirán aquí.
Hay varios factores que determinan si se escucha o no el trueno.
La cantidad y la duración de la corriente: Una descarga típica de nube a tierra (NT, GT) o rayo, disminuye la carga negativa en la tierra, en general. El pico de corriente típica es de 30.000 amperios que dura 70 a 80 microsegundos. Corrientes más intensas en la descarga generan más energía calórica y acústica. Por ejemplo, los rayos positivos pueden llevar varias veces más corriente que un rayo negativo, y la energía acústica generada es correspondientemente mayor. En la nube las descargas nube-nube o intranube (IC) rara vez se genera tanta energía acústica como en los golpes de los rayos.
Distancia de la fuente: La intensidad del sonido disminuye rápidamente con la distancia desde la fuente de acuerdo con una ley del cuadrado inverso. Por ejemplo, el trueno a un kilómetro del canal del rayo parece cuatro veces más fuerte que el trueno a dos kilómetros del canal del rayo. Sólo por esta razón, el rango audible del trueno es rara vez superior a los 25 km. Por lo tanto, puedes ver un rayo a gran distancia y no oírlo por este hecho: está muy lejos.
Orientación del canal del rayo con respecto a la línea de visión: La mayor parte de la energía acústica generada por un rayo se dirige más o menos perpendicular al canal. Por esta razón, se le oye un trueno más fuerte si su línea de visión es perpendicular al canal que si es paralelo. En este último caso, es posible que se escuche poco el trueno.
La refracción de las ondas del sonido debido a la estratificación de temperatura horizontal: La velocidad del sonido “c” en aire seco depende de la temperatura, T, de la siguiente manera:
Donde T se expresa en grados Celsius, y c y 331,3 están en metros por segundo (m/s). Cuanto mayor sea la temperatura, mayor es la velocidad del sonido. Por lo tanto, si una onda de sonido pasa a través de capas de aire a diferentes temperaturas, sus cambios de velocidad de propagación hace que se refracte (se curve) de la misma como un rayo de luz se refracta a medida que pasa del aire al agua. En el caso del sonido, la reflexión es gradual, pero puede ser suficiente como para influir fuertemente a qué distancia el trueno del rayo será audible.
La figura 1 ilustra la situación habitual durante la actividad tormentosa, en la que la temperatura disminuye con la altitud. Una fuente puntual de sonido (por ejemplo, un segmento corto de un canal del rayo de un kilómetro encima del suelo) emite ondas acústicas. Cuando las ondas sonoras viajan a través de la atmósfera, se encuentran con los cambios de temperatura, por lo que se doblan hacia arriba. Las flechas curvas inferiores indican donde las ondas sonoras son tangentes al suelo. Más allá de este punto, la curva de las ondas se vuelve hacia arriba en la atmósfera y por lo que no se puede oír un trueno por un observador en la zona de "sombra".
La figura 2 ilustra la situación opuesta: una inversión, en el que la temperatura aumenta con la altura. En este caso, la curvatura de las ondas sonoras es a la baja. De las partes de la canal del rayo se encuentra dentro de la inversión, el sonido podría llegar al suelo a distancias más allá del límite normal de audibilidad.
Figura 1: Propagación de las ondas acústicas de una fuente encima del suelo cuando la temperatura disminuye con la altitud. Las ondas sonoras se curvan hacia arriba, creando una zona de sombra, donde el sonido no se oye.
Figura 2: Igual que la figura 1, pero con el aumento de la temperatura con la altitud. Si la fuente de sonido es un segmento del canal del rayo, una inversión puede hacer que el trueno de esta fuente sonora se oiga a distancias mayores de lo normal.
Refracción de las ondas de sonido debido a la cizalladura del viento: los sonidos familiares, como el ruido del tráfico general se escuchan con mayor facilidad a sotavento de la fuente que corriente arriba. Esto es cierto incluso cuando la temperatura es constante con la altura. No puede ser que el viento se lleva el sonido de inmediato, porque el sonido viaja a más de 300 ms- 1, mientras que las velocidades del viento son casi siempre de menos de 100 ms- 2, incluso en la corriente en chorro, y siempre mucho menos en el suelo. La cizalladura vertical del viento, un cambio en la velocidad o dirección del viento con la altitud, es el responsable de esta experiencia común. Si el borde de ataque de una onda acústica, inicialmente vertical, se desplaza en un ambiente donde la velocidad del viento aumenta con la altitud, su parte superior superarán su parte inferior de modo que el frente de onda se inclinará hacia delante y la dirección de propagación se inclinará hacia abajo. Esta es otra forma de la refracción. En un ambiente favorable para las tormentas severas, la velocidad del viento se incrementa rápidamente con la altitud y la refracción de las ondas sonoras que viajan a favor del viento pueden igualar o superar la refracción causada por la temperatura que disminuye con la altitud. Por el contrario, las ondas sonoras que viajan en contra del viento en el mismo entorno de cizalladura se doblarán hacia arriba, haciendo zonas de sombra en el suelo. Por esta razón, el trueno de una tormenta que se aproxima es escuchado con más facilidad que a partir de una que está en retroceso.
Atenuación atmosférica por el vapor de agua y por los hidrometeoros: Como se señaló anteriormente, la distancia del rayo determina fuertemente si se escucha el trueno y lo fuerte que es. Pero la atenuación atmosférica (amortiguación) de la señal acústica también puede ser significativa. Ocurre debido al vapor de agua y a las partículas de agua líquida o sólida (hidrometeoros) en el aire entre usted y la descarga. Cuanto mayor sea el contenido de vapor del aire y mayor es la concentración de partículas de la nube y la precipitación, mayor será la atenuación. El espectro acústico del trueno cubre frecuencias de menos de 1 Hz a 500 Hz. Como se ha señalado antes, el límite inferior de la audibilidad es cerca de 20 Hz. Las descargas nube tierra o rayos tienen un pico espectral cerca de 100 Hz, mientras que las de nube a nube, IC, y las CG tienen un pico en la parte infrasónica del espectro. Las frecuencias más altas se atenúan más fácilmente que las frecuencias más bajas de modo que, a distancias mayores de unos pocos kilómetros, es raro escuchar a frecuencias superiores a 100 Hz.
El ruido del viento: El espectro acústico del viento se superpone al del trueno, por lo que, si los fuertes vientos acompañan a la tormenta, el rugido del viento que pasa a través de los árboles y alrededor de las estructuras puede enmascarar o ahogar el sonido de un trueno.
No es de extrañar ver el paso de las líneas de turbonada severas acompañada de muy pocos y frecuentes truenos pero por el contrario con muchos relámpagos y casi constante parpadeo. El viento rugía, pero incluso durante las pausas entre las ráfagas, el trueno era apenas audible. ¿Por qué? Las tormentas severas tienen corrientes ascendentes muy fuertes, que tienden a transportar a los centros de carga a grandes altitudes, por encima de 10.000 m. Con centros de carga más alejados de la superficie que los asociados a las tormentas ordinarias, las descargas de CG, nube-tierra o rayos, son menos frecuentes. Por otra parte, el potencial de ruptura (la diferencia de tensión voltaica entre los centros de carga necesarios para iniciar una descarga) es mucho menor en alturas elevadas que cerca de la tierra de modo que en la nube vertidos cerca de la parte superior de la tormenta son propensos a portar menos corriente y dan lugar a la liberación de menos energía acústica. Esta energía puede estar fuertemente atenuada por una fuerte precipitación entre el yunque de una tormenta, donde se produce el relámpago, y el suelo. Por último, la cizalladura vertical del viento puede doblar las ondas acústicas y llevarlas hacia arriba, lejos de la tierra.
En resumen, es muy difícil determinar qué combinación de factores hace que el trueno de un rayo dado sea audible o no. Lo que si es cierto es que las descargas y los rayos luminosos pueden ser audibles o no. De hecho se pueden ver rayos que no poseen truenos e incluso durante un día primaveral y luminoso oír truenos asociados a descargas en las nubes que no son observadas. Maravillas de la naturaleza asociada a las nubes convectivas y tormentosa.
