La ciencia del fuego de San Telmo

"Finalmente, a eso de las 7:20 PM , el Hindenburg comenzó su acercamiento para aterrizar. Mientras la nave se encontraba aún a 75 pies del mástil de amarre, la popa de pronto se encendió y estalló en llamas. La nave cayó a tierra, ardiendo. [...] Aunque se sospechó que el sabotaje podía ser la causa del desastre, la investigación oficial concluyó que un fuego de San Telmo, una forma de electricidad estática, había de alguna manera encendido una pérdida de Hidrógeno." [1]

Las semanas pasadas estuvimos viendo como el Arte describió a un fenómeno actualmente denominado Fuego de San Telmo, y que en la antigüedad pre-cristiana se consideraba una epifanía de los gemelos Cástor y Pólux. Demos hoy el turno a la Ciencia.

Ya en 1837, un tratado de geografía física comentaba que su aparición...

...se explica por la conocida aptitud de los conductores puntiagudos de transferir la electricidad de la atmósfera en silencio y sin  conmoción, y de ahí la razón por la cual los pararrayos terminan en puntas agudas. [2]

En el estilo seco y directo de los textos científicos, James Dale Barry [3] nos da una descripción muy completa del fenómeno de descarga eléctrica:

Las coronas y descargas en el aire han sido extraordinariamente bien descriptas experimental y teoricamente por Loeb and Kip [4] en 1939. Se mostró que los electrones secundarios generados por una partícula cargada positivamente que choca contra un cátodo cargado negativamente conducen a una ionización en avalancha del gas circundante. Obviamente, [durante este proceso es posible que se produzca] luz visible debido a la ionización de las moléculas del aire que emiten luz al recombinarse. Para que la descarga se propague hacia afuera del punto donde se originó, la ionización debe expandirse a distancias mayores. La descarga inicial sólo se puede mantener por un tiempo finito pues la movilidad espacial de las cargas y la formación y migración de iones negativos y positivos alterarán las condiciones de la descarga en avalancha inicial. Si el campo aplicado no sólo se mantiene grande y sino que también aumenta, ocurrirán la ionización en avalancha y la propagación de la descarga, avanzando hacia afuera de manera periódica. Los términos "dart strokes" y "streamers" se suelen utilizar para referirse a este proceso de propagación. 

Cuando el proceso se autosostiene, es decir cuando ha crecido hasta una distancia de varios caminos libres medios del electrón desde el punto cargado, aparece la corona. La corona resulta visible debido a la radiación que genera. En 1939 Loeb y Kip [4] hicieron numerosas fotografías de la generación de la corona y las reproducimos aquí. La porción izquierda de la figura muestra el resplandor de la corona rodeando un punto positivo. la porción derecha muestra el streamers que pueden superponerse a una corona cuando la descarga se propaga hacia afuera [...] 

Las descargas en corona producidas en el laboratorio son directamente análogas a la descarga en corona que llamamos Fuego de San Telmo. Estas descargas en corona puede producirse desde electrodos puntuales negativos o positivos. En la naturaleza, la Tierra está usualmente cargada positivamente durante una tormenta, el extremo superior de un objeto que se eleva por sobre el plano de la superficie se transforma, así, en un punto cargado positivamente. La descarga en corona resultante ha sido observada repetidamente durante muchos siglos.

Y continúa refiriéndose al fuego de San Telmo como [5]...

... un fenómeno luminoso bien conocido, ocacionalmente observado durante actividades tormentosas y durante otros eventos naturales de descarga. Ha sido extensamente estudiado en el laboratorio. El fuego de San Telmo es el resultado visible de una descarga en corona desde un objeto protuberante por encima del suelo. La intensa diferencia de potencial eléctrico entre el piso y las nubes creada durante condiciones climáticas adversa puede producir un intenso campo eléctrico alrededor de los objetos. Estos campos eléctricos intensos son el resultado de la geometría y la conductancia de los objetos. El campo eléctrico de un objeto con punta o pequeño radio de curvatura es mucho mayor, por ejemplo, que un objeto plano o de radio suave. 

El campo eléctrico intenso puede producir la emisión de electrones desde el objeto, que a su vez puede conducir a la disociación e ionización de las moléculas de aire. La recombinación de estas moléculas libera energía radiativa cuya longitud de onda puede estar dentro del espectro visible. Un observador describiría su forma luminosa como un bola brillante flotando por encima o moviéndose cerca de los objetos. 

El fuego de San Telmo, tal como fue discutido, por ejemplo, por Brand [6] en 1923 tiene una forma redonda u ovalada del tamaño de una naranja, con una apariencia brillante azul o blanco azulada. Sin embargo, se han observado diámetros mucho mayores de hasta 30 cm. Decae silenciosamente, aún cuando lo haga de manera repentina o lenta. Su vida media es mayor que la de una centella, usualmente de varios ssegundos y hasta minutos. 

Una distinción característica entre el fuego de San Telmo y la centella es la aparente libertad de movimiento de esta última. Aunque se ha observado que el fuego de San Telmo se puede mover, lo hace a lo largo del conductor, algunas veces pulsando al moverse, pero nunca se libera del conductor. Por lo tanto, no exhibe los movimientos descendentes, flotantes o voladores que son comunes en las centellas.

Finalmente, Barry nos cuenta sobre otra forma de fuego de San Telmo no obviamente relacionada con un conductor...

... [que] ha sido postulada por Callahan y Mankin [7] en 1978 como responsable de nubes luminosas no identificadas y objetos ocasionalmente observados moviendose en la atmósfera durante la noche. Ellos sugieren que las bandas nocturnas de insectos pueden emitir luz debido a descargas eléctricas cuando se mueven a través de campos eléctricos intensos causados por eventos naturales, tales como tormentas o nubes de polvo. Un cierto número de insectos comunes que viajas en enjambres fueron sujetos a campos eléctricos en laboratorios del orden de los 2 kV/cm y se observó que emitian luz. La intensidad de la luz fue medida a una distancia de 18 cm de un insecto brillante con 4x10^-6 W/cm² y era bastante visible para el ojo humano en un cuarto oscuro desde unos 6 metros. Que tales fenómeos sean posibles en la naturaleza es apoyado por mediciones de campos eléctricos en la vecindad de tormentas. Valores de campos electricos desde 1 a 3 kV/cm se midieron desde aviones en un estudio discutido por Callahan y Mankin (1978).

Naturalmente, este efecto puede afectar a otros materiales y geometrías:

[También] se han observado también alrededor de las cabezas y manos de seres humanos [y] en los extremos de aviones en vuelo, dado que la intensidad de la descarga en corona aumenta con la velocidad del viento [8].

Finalmente tal como mencionamos al comienzo de esta entrada, el fuego de San Telmo no sólo es un presagio de desastre o salvación, sino que puede llegar a ser su misma causa.

La investigación nortemaricana sobre el incendio del dirigible Hunderburg concluyó que una pérdida de hidrógeno entre las celdas cuatro y cinco había sido encendida por una chispa eléctrica, y que la fuente más probable de esta chispa fue un fuego de San Telmo [9].

1. Tim Brady: The American aviation experience (SIU Press, 2000) p. 331.
2. John Lee Comstock: A treatise on mathematical and physical geography (Packard and Brown, 1837) p. 275.
3. James Dale Barry: Ball lightning and bead lightning: extreme forms of atmospheric electricity (Springer, 1980) pp. 124-5.
4. G. Loeb and A. F. Kip: Electric Discharges in Air at Atmospheric Pressure, The Nature of the Positive and Negative Point-to-Plane Coronas and the Mechanism of Spark Propagation. J. Appl. Phys. 10, 1939, p. 142.
5. James Dale Barry: ibid, p. 135.
6. Brand, W.: "Der Kugelblitz," Grand, Hamburg, Germany, 1923.
7. Philip S. Callahan and R. W. Mankin: Insects as unidentified flying objects  Applied Optics, 17 (21), 1978,  pp. 3355-3360.
8. Mark Stenhoff: Ball lightning: an unsolved problem in atmospheric physics (Springer, 1999), p. 42
9. Jill Sherman: The Hindenburg Disaster (ABDO, 2010) p. 88.