thumb|Imagen de un rayo chocando con el suelo durante una tormenta en Toronto, Canadá. thumb|Relámpago del Catatumbo, Zulia, Venezuela (fenómeno conocido como «la fábrica de ozono»). Este fenómeno es capaz de producir 2850 relámpagos por año, produciendo el 10 % de la capa de ozono del planeta. miniaturadeimagen|Los daños producidos por un rayo una vez llega al suelo pueden ser severos, en la imagen se muestra como un rayo cayó en un árbol de la especie abedul, retirando la corteza de este. El rayo es una poderosa descarga natural de electricidad estática, producida durante una tormenta eléctrica generando un pulso electromagnético. La descarga eléctrica precipitada del rayo es acompañada por la emisión de luz (el relámpago).
En promedio, un rayo mide 1500 metros; el más extenso fue registrado en Texas y alcanzó los 190km de longitud. Un rayo puede alcanzar la velocidad de 200000km/s con una temperatura de 30.000 grados Celsius. Los restos de un rayo en la arena forman el mineral denominado fulgurita. Siempre va acompañado de un relámpago (emisión intensa de radiación electromagnética, cuyos componentes se ubican en la parte visible del espectro), y de un trueno (emisión de ondas sonoras), además de otros fenómenos asociados. Aunque las descargas dentro de las nubes y entre las nubes son las más frecuentes, las descargas de nube a tierra representan un peligro mayor para los humanos. La mayor parte de los rayos ocurren en la zona tropical del planeta, la más densamente poblada, y principalmente en los continentes. Están asociados con los fenómenos convectivos, la mayoría de las veces con tormentas, aunque pueden tener su origen en otros eventos, como erupciones volcánicas, explosiones nucleares, tormentas de arena o violentos incendios forestales. Se utilizan métodos artificiales para crear rayos con fines científicos. Los rayos también ocurren en otros planetas del sistema solar, particularmente en Júpiter y en Saturno.
Algunas teorías científicas consideran que estas descargas eléctricas pueden haber sido fundamentales en el surgimiento de la vida, además de haber contribuido a su mantenimiento. En la historia de la humanidad, el rayo fue quizás la primera fuente del fuego, fundamental para el desarrollo técnico. Así, el relámpago despertó fascinación, incorporándose a innumerables leyendas y mitos que representan el poder de los dioses. Investigaciones científicas posteriores revelaron su naturaleza eléctrica, y desde entonces las descargas han sido objeto de una vigilancia constante, debido a su relación con los sistemas de tormentas.
Debido a la gran intensidad de los voltajes y de las corrientes eléctricas que propaga, el rayo es siempre peligroso. Así, los edificios y las redes eléctricas necesitan pararrayos y sistemas de protección. Sin embargo, incluso con esas protecciones, los rayos todavía causan muertes y lesiones en todo el mundo.
Cómo se inicia la descarga eléctrica sigue siendo un tema de debate. Los científicos han estudiado las causas fundamentales, que van desde perturbaciones atmosféricas (viento, humedad y presión) hasta los efectos del viento solar y de la acumulación de partículas solares cargadas. Se cree que el hielo es el componente clave en el desarrollo, propiciando una separación de las cargas positivas y negativas dentro de la nube. En tanto que fenómeno de alta energía, el rayo se manifiesta generalmente por un camino extremadamente luminoso —en estado plasmático consecuencia de la ionización del aire por las altísimas tensiones— que recorre largas distancias, a veces con ramas. Sin embargo, existen formas raras, como el rayo globular, cuya naturaleza se desconoce. La gran variación del campo eléctrico provocada por las descargas en la troposfera puede dar lugar a fenómenos luminosos transitorios en la atmósfera superior.
Cada año se registran de tormentas con rayos. La frecuencia de los relámpagos es de aproximadamente 44 (± 5) veces por segundo, o casi 1400 millones de destellos por año, siendo la duración media de 0.2 segundos. El rayo de mayor duración fue registrado en marzo del 2018 en el norte de Argentina y duró 16.73 segundos. En octubre de 2018 se registró en Brasil el de mayor extensión horizontal a nivel mundial, con de longitud. Un rayo viaja a una velocidad media de , pudiendo alcanzar velocidades de hasta . La diferencia de potencial media con respecto al suelo es de mil millones de voltios.
La disciplina que, dentro de la meteorología, estudia todo lo relacionado con los rayos se denomina ceraunología.Aunque la palabra ceraunología no existe en el diccionario de la RAE, es una palabra técnica utilizada en meteorología.
Historia
Los rayos probablemente aparecieron en la Tierra mucho antes que la vida, hace más de . Además, probablemente los rayos fueron fundamentales para la formación de las primeras moléculas orgánicas, esenciales para la aparición de las primeras formas de vida. Desde el comienzo de la historia los relámpagos han fascinado a los seres humanos. El fuego que producen los rayos cuando golpean el suelo habría sido el origen de su domesticación, y sería utilizado para mantenerlos calientes durante la noche, además de mantener alejados a los animales salvajes. El hombre primitivo habría entonces buscado respuestas para explicar este fenómeno, creando supersticiones y mitos que se incorporaron a las religiones más antiguas..
Importancia biológica
Desde la biología se cree que los rayos tuvieron un papel importante en la aparición de la vida en la Tierra. Por medio de diferentes experimentos tales como el de Miller-Urey se demostró que, en una atmósfera primitiva, las descargas eléctricas pudieron haber generado las reacciones necesarias para crear las primeras moléculas de la vida y las bases que la conforman tales como los Aminoácidos (moléculas fundamentales en todo sistema biológico).
Investigación científica thumb|Representación del experimento de Benjamin Franklin en el , en la que las chispas inducidas por la tormenta salen del hilo conductor hasta su dedo.
En las culturas europeas modernas, la primera explicación científica conocida fue escrita por el filósofo griego Aristóteles, en el , atribuyendo la tormenta a la colisión entre dos nubes y el rayo al fuego exhalado por esas nubes.. Sin embargo, los primeros estudios sistemáticos no se llevaron a cabo hasta 1752, en Marly-la-Ville, cerca de París, cuando Thomas-François Dalibard atrajo los rayos por medio de una alta barra de hierro aislada del suelo por botellas de vidrio. Este experimento demostró la naturaleza eléctrica de la descarga. Posteriormente se realizaron numerosas pruebas. Una de las más conocidas es la de Benjamin Franklin, quien utilizó cometas y globos para levantar hilos conductores, que generaron pequeños relámpagos gracias al campo eléctrico existente en las nubes.
Franklin también demostró que los rayos se manifiestaban «con mayor frecuencia en la forma negativa de la electricidad, pero a veces aparecen en la forma positiva». Además, el científico propuso el uso de grandes varillas de metal para protegerse contra los rayos, que según él, harían pasar la electricidad de forma silenciosa desde la nube al suelo. Más tarde, se dio cuenta de que esas varillas no influían en las cargas eléctricas presentes en las nubes, sino que de hecho atraían a los rayos. Finalmente se dio cuenta de que, si bien no se podían evitar las descargas eléctricas, al menos podía atraerlas a un punto en el que no habría peligro, lo que se conoce como pararrayos. Para demostrar la efectividad de sus ideas, Franklin reunió a cientos de personas cerca de Siena, Italia, en 1777, en un lugar a menudo alcanzado por un rayo. Después de instalar el pararrayos, la multitud observó cómo el rayo golpeaba la barra de metal, sin dañarla.
En 1876, James Clerk Maxwell propuso la creación de depósitos para la pólvora negra que estuvieran completamente envueltos en una capa de metal para evitar que los rayos detonasen el compuesto. Cuando un rayo golpeaba ese depósito, la corriente eléctrica permanecía en esa capa exterior y no llegaba a la pólvora. Este sistema se conoce ahora como jaula de Faraday. También se puede utilizar un sistema de rejilla; sin embargo, cuanto mayor sea la distancia entre conductores, menos efectiva será la protección. Combinaciones entre el pararrayos de Franklin y la caja de Faraday todavía se utilizan en el para proteger edificaciones, especialmente donde se encuentran dispositivos electrónicos sensibles.
La aparición de la fotografía y de la espectroscopia al final del fueron de gran importancia en el estudio de los rayos. Varios científicos utilizaron el espectro generado por los rayos para estimar la cantidad de energía involucrada en el proceso físico que tenía lugar durante un período de tiempo muy corto. El uso de la cámara fotográfica también permitió descubrir que los rayos tienen dos o más flujos eléctricos. El desarrollo de nuevos dispositivos en el , como los osciloscopios y los medidores de campos electromagnéticos, permite una comprensión más completa del origen y la aparición de descargas.
Características thumb|Un rayo partiendo de una nube a tierra en Dallas, en Estados Unidos
El rayo, que está más comúnmente asociado con tormentas eléctricas, es un gigantesco arco eléctrico de electricidad estática por el que se forma un canal conductor y se transfieren cargas eléctricas. Son varios los tipos de rayos que pueden ocurrir: en el interior de las propias nubes, entre dos nubes, entre una nube y el aire, y entre una nube y el suelo. Los puntos de contacto de un rayo dependen de la forma en que se distribuyen las cargas eléctricas en el interior de las nubes..
En general, la distribución de cargas en las nubes convectivas genera un campo eléctrico intenso. En la parte superior de la nube, que se aplana y se extiende horizontalmente, se acumulan las cargas positivas en pequeños cristales de hielo provenientes de las corrientes de convección. En el centro, generalmente en un rango donde la temperatura está entre -20 y -10 °C, las cargas negativas están en sobreabundancia. Los dipolos formados valen cada uno decenas de culombios, separados unos de otros por unos pocos kilómetros verticalmente. En la base de la nube generalmente se forma una pequeña región de cargas positivas, cuya carga es de solo de unos pocos culombios. En tormentas más desarrolladas, la distribución eléctrica es mucho más compleja.
Carga de las nubes thumb|Ejemplo de distribución de cargas eléctricas en una nube.
Para que ocurra una descarga eléctrica, el interior de la nube debe tener un campo eléctrico importante, que surge del cambio en la distribución de las cargas, electrificando la nube. No se sabe exactamente cómo se produce ese fenómeno, aunque se han teorizado algunos conceptos y premisas básicas. Los modelos de electrificación se dividen en dos, el convectivo y el colisionador.
Según el modelo de electrificación convectiva, las cargas eléctricas iniciales provienen de un campo eléctrico preexistente antes del desarrollo de la nube de tormenta. A medida que se desarrolla la nube de tormenta, los iones positivos se acumulan en el interior de la nube, lo que induce cargas negativas en sus bordes. Como los vientos dentro de la nube son ascendantes, las corrientes de aire de dirección opuesta aparecen en los bordes de la nube, transportando las cargas negativas inducidas a la base de la nube, creando así dos regiones eléctricamente distintas. A medida que se desarrolla el proceso, la nube se vuelve capaz de atraer nuevas cargas por sí misma, lo que permite que aparezcan descargas eléctricas. Aunque demuestra la importancia de la convección en el proceso de electrificación, este modelo no describe satisfactoriamente la distribución de carga al inicio de la tormenta y a largo plazo.