FORMAÇÃO DOS RAIOS...

Formação de um raio...

Um raio dura em média meio segundo. Nesse intervalo de tempo, muitos fenômenos se combinam, principalmente físicos e climáticos, para consultar naquilo que vemos e ouvimos. Conforme eles variam, as descargas podem ser mais ou menos intensas. Algumas regiões do planeta têm maior tendência a produzir descargas elétricas atmosféricas.

A seguir: tudo sobre a formação de um raio.

As causas da eletrização das nuvens

De acordo com a teoria mais aceita, ela se eletriza a partir das colisões de partículas de gelo acumuladas em seu interior. Outra causa, que não exclui a primeira, estaria em efeitos resultantes da diferença de condutividade elétrica do gelo devido a diferenças de temperatura no
interior da nuvem. Durante as colisões, as partículas de gelo perdem elétrons e transformam-se em íons. Isso torna a nuvem eletricamente carregada. As partículas têm tamanho variado e, segundo medidas feitas por sondas meteorológicas, as menores e mais leves ficam com carga positiva e as maiores e mais pesadas (partículas de gelo denominadas granizo)com carga negativa. Alguns fatores como os ventos, a temperatura e força da gravidade fazem com que cargas de mesmo sinal se concentrem em regiões específicas da nuvem. Geralmente a parte inferior, a base da nuvem, e a parte superior ou topo da nuvem, são os locais de maior acúmulo de carga, de sinais contrários, funcionando assim como armaduras de um capacitor.

Alguns raios ocorrem associados a tempestades de poeira ou a nuvens formadas por vulcões ativos. Neste caso, acredita-se que os processos de eletrização sejam semelhantes aos descritos acima para nuvens de água.

A indução de cargas e a quebra da rigidez dielétrica

As cargas distribuídas na base e no topo das nuvens produzem um campo elétrico interno, denominado campo elétrico intra-nuvem. Além disso, com o acúmulo de cargas em sua superfície externa, a nuvem pode provocar uma indução eletrostática na superfície de outras nuvens ou no solo imediatamente abaixo (apesar das nuvens serem formadas po r moléculas de água, portanto isolantes elétricas, a mobilidade de seus íons lhes confere um comportamento semelhante ao de um condutor). Neste caso cria-se um campo elétrico entre nuvens ou entre a nuvem e o solo.

Enquanto os choques das partículas dentro da nuvem se intensificam, a quantidade de carga em sua superfície aumenta e, conseqüentemente, o campo elétrico criado por essas cargas também se eleva. Com o aumento da intensidade desse campo, as moléculas de ar entre as partes eletrizadas sofrem polarização e se orientam de acordo com o campo elétrico. O efeito de polarização se intensifica com o aumento da intensidade do campo, até o ponto em que elétrons são arrancados das moléculas d o ar. Este, dessa forma ionizado, se transforma em um condutor gasoso. Genericamente, o valor de campo elétrico que provoca ionização em um meio é denominado rigidez dielétrica desse meio. No ar, a rigidez dielétrica varia com as condições da atmosfera. Quando o campo elétrico ultrapassa esse valor limite, diz-se que houve uma quebra da rigidez dielétrica do meio. Isso transforma o isolante em condutor. Como conseqüência, os íons negativos e os elétrons livres do ar são fortemente atraídos pelas cargas positivas presentes nas nuvens ou induzidas no solo, formando um caminho chamado de canal condutor. Assim sendo, o movimento de cargas negativas no canal condutor pode ocorrer tanto intra-nuvem como entre nuvens ou entre nuvem e solo. Em cerca de 90% dos casos as descargas elétricas se originam na base da nuvem, quase sempre eletrizada negativamente. Portanto, em geral, é uma carga negativa que inicia o processo de descarga elétrica atmosférica.

O movimento da Carga Líder

A primeira carga a se movimentar, na maioria das vezes vinda da base de uma nuvem, é a Carga
Líder ou Líder Escalonado. É chamada assim porque desce em etapas ou escalas, em intervalos de tempo quase uniformes. Algumas cargas seguem novos caminhos fora do canal principal, criando ramificações em muitos pontos. Isso porque há íons na atmosfera, distribuídos de maneira não uniforme, o que acaba por atrair ou repelir essas cargas para um lugar indeterminado. As bruscas variações de velocidade da Carga Líder produzem uma onda eletromagnética de freqüência superior à da luz visível, portanto não perceptível pelo olho humano. O movimento da Carga Líder é seguido por outras cargas provenientes da base da nuvem criando-se uma corrente elétrica denominada raio.

Líderes Conectantes e Descarga de Retorno

A Carga Líder, em geral negativa, aproxima-se de cargas positivas localizadas no solo ou nas nuvens. A carga acumulada no canal condutor produz um aumento na intensidade do campo elétrico entre as cargas, gerando uma nova quebra da rigidez dielétrica do ar. Por efeito dessa quebra, devido ao alto nível de intensidade desse campo, íons positivos são arrancados do solo (ou da nuvem para onde as cargas negativas se dirigem). Isto explica a afirmação: na maioria dos
casos, a descarga elétrica ocorre do solo para a nuvem.

A intensificação do campo elétrico provoca o surgimento de vários caminhos (canais) por onde esses íons se deslocam ao encontro da Líder. Os íons positivos são denominados Líderes Conectantes ou Descargas Conectantes. No caso de descargas nuvem-solo, esse segundo rompimento da rigidez dielétrica ocorre quando a Líder está cerca de 10 m de distância do local de onde os íons positivos são arrancados. Essas cargas se encontram aproximadamente a meia distância do percurso. Assim se completa o canal do relâmpago. Todas as cargas negativas que seguem a Carga Líder movem-se através dos novos canais por onde passaram os íons positivos até alcançar os pontos de onde eles partiram. A descarga que saiu do solo continua seu movimento até a nuvem e passa a ser denominada Descarga de Retorno.Essa descarga ocorre com uma velocidade de cerca de um terço da velocidade da luz.

O relâmpago

As principais conseqüências das descargas elétricas atmosféricas (raios) são a luz (relâmpago) e o som (trovão). Os relâmpagos são produzidos basicamente pela radiação eletromagnética emitida por elétrons que, após serem excitados pela energia elétrica, retornam a seus estados fundamentais. Isto ocorre principalmente na Descarga de Retorno e por esta razão, no caso da descarga nuvem-solo, a geração da luz é feita de baixo para cima. A luz do relâmpago é bastante intensa devido à grande quantidade de moléculas excitadas. Pode-se observar que as ramificações do canal são menos brilhantes pela menor quantidade de cargas presentes nessa região. A geração de luz dura cerca de um décimo de segundo. Portanto, os fótons produzidos no início da trajetória, apesar de chegarem primeiro na retina do observador, conseguem mantê-la sensibilizada até a chegada dos fótons provenientes do final da trajetória. Por isso, é comum se pensar que o canal se iluminou todo de uma vez ou ainda que o relâmpago caiu, vindo de cima para baixo, talvez por colocarmos a nuvem como nossa eferência. Geralmente a luz do relâmpago é de cor branca, mas pode variar, dependendo das propriedades atmosféricas entre o relâmpago e o observador.

Relâmpagos múltiplos

Quando há apenas uma Descarga de Retorno, o relâmpago é classificado como relâmpago simples. Os relâmpagos múltiplos acontecem quando a nuvem não se descarrega completamente
durante o primeiro raio. Neste caso, a cargas remanescentes se acumulam

novamente na base da nuvem e o fenômeno se reproduz através dos mesmos passos descritos nesta seção. A Carga Líder poderá ser um Líder Contínuo (um líder que não desce em etapas e aproveita o canal que já existe), um Líder Escalonado (um novo líder formado quando todo o canal se desfaz) ou um Líder Contínuo-escalonado (se parte do canal se desfizer). A descarga de retorno será denominada Descarga de Retorno Subseqüente unicamente no caso do Líder Contínuo.

Para que aconteça mais de um relâmpago, tudo vai depender do tempo que a nuvem leva para se recarregar. A maioria dos relâmpagos é do tipo múltiplo. O número médio de descargas de retorno subseqüentes geralmente é de 3 a 5. O maior valor até hoje registrado foi de 42 descargas. É um erro comum pensar que um relâmpago nunca cai duas vezes no mesmo lugar. Sendo várias as descargas positivas ou Conectantes que saem do solo, se uma delas sair de um mesmo ponto (onde a primeira Conectante saiu) indo ao encontro da nova Líder, será possível que isso ocorra. Assim como o Líder Escalonado, o Líder Contínuo é invisível.Por outro lado, na maioria dos casos, o Contínuo não possui ramificações. Sua Descarga de Retorno Subseqüente é menos brilhante que a primeira descarga e pouco ramificada.

O Líder Contínuo-escalonado ocorre quando, durante a descida de um Líder Contínuo, o canal se desfaz e ele tem que mudar para Líder Escalonado para poder completar o caminho. A Descarga de Retorno Subseqüente, pode sair de um outro ponto do solo e seguir também um novo caminho, bifurcando o canal (vemos a figura de um ípsilon invertido). Quase 1/4 dos relâmpagos apresenta este efeito.

Raios nuvem-solo positivos

Os raios entre a nuvem e o solo também podem iniciar por Líderes positivos descendentes, correspondendo a movimentos de subida de cargas negativas (elétrons). A Descarga de Retorno resultante transporta cargas positivas da nuvem para o solo. Estes são os raios nuvem-solo positivos e no geral eles não se seguem de Descargas de Retorno Subseqüentes, sendo classificados como relâmpagos simples. Eles causam maiores danos do que os negativos. Muitos acidentes como incêndios em florestas e estragos em linhas de energia são causados por este tipo de raio.

<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

Tipos de raios

Você já ouviu dizer que os raios podem subir para as nuvens em vez de descer para a Terra? Existem diversos tipos de raios provocando relâmpagos e trovões das mais variadas formas. A classificação dos relâmpagos está baseada no modo como acontecem os raios. Veja também o que os cientistas têm descoberto sobre os relâmpagos de bola, um tipo raro de relâmpago, considerado por muito tempo como pura imaginação, mas que agora é motivo de sérias pesquisas.

Os raios em nuvens

Os raios em nuvens são assim chamados por iniciarem dentro de uma nuvem. Eles são menos perigosos para nós. Apenas os pilotos de aeronaves recebem treinamento especial caso enfrentem uma nuvem de tempestade durante o vôo e sejam atingidos por essa descarga elétrica. Nesse caso, o avião está protegido com pára-raios. Os relâmpagos que esses raios geram podem ser vistos por nós e fazem cerca de 70% do total que atingem nosso planeta. O fato de estarem escondidos pelas nuvens impossibilita que se saiba detalhes sobre sua formação. Suas descargas podem ocorrer de três maneiras: no interior das nuvens (chamados de descargas intra-nuvem), entre duas ou mais nuvens (as descargas nuvem-nuvem) e para fora da nuvem, sem atingir o solo (denominadas de descargas para o ar).

Os raios entre nuvens e solo

Este tipo de raio inicia na superfície de uma nuvem ou no chão, abaixo ou próximo de uma uvem de tempestade. Sua denominação é feita de acordo com o sentido de movimento da carga que o origina. Dessa maneira, os raios entre nuvens e solo podem ser do tipo nuvem-solo ou solo-nuvem. Eles também se classificam quanto ao sinal da carga líder que inicia uma descarga, podendo ser negativos ou positivos. A maioria das descargas nuvem-solo são negativas. Esses raios são os que realmente preocupam os homens. Estimativas indicam que cerca de 100 milhões de raios nuvem-solo ocorrem no Brasil todo ano e a maior parte deles acontece na Amazônia, talvez pelo fator climático da região. Nas cidades, já se comprovou que a poluição aumenta a quantidade de descargas elétricas na atmosfera. A formação de raios entre nuvens e solo é bem conhecida. Os nuvem-solo correspondem a quase 99% dessas descargas, enquanto que os solo-nuvem são raros, ocorrendo geralmente no topo de montanhas ou em estruturas altas (como torres e edifícios). Um solo-nuvem pode até ser "criado" por foguetes lançados na direção da nuvem de chuva. Isso, aliás, tem permitido o estudo dos relâmpagos e melhorado as técnicas de proteção.

Os misteriosos relâmpagos de bola

Existe ainda outra forma de relâmpagos que não está incluída na classificação tradicional. São os relâmpagos de bola, também conhecidos como relâmpagos globulares, bolas de fogo ou relâmpagos raros. No interior do Brasil, eles são chamados de mãe do ouro e segundo a lenda, seu aparecimento indicaria a existência desse metal no subsolo daquela região. Ainda se sabe muito pouco a respeito dos relâmpagos de bola. Eles têm tempo de duração de aproximadamente 4 segundos (em média), forma quase sempre esférica (de diâmetros entre 10 e 40 cm) e cores que variam entre branco, amarelo e azul. Têm brilho semelhante ao de uma lâmpada fluorescente, emitem um som sibilante (som muito agudo, como um forte assobio) e desprendem um odor forte (geralmente de enxofre), terminando numa explosão ou desaparecendo repentinamente. Dizem que ele é capaz de atravessar as paredes e janelas das casas e a fuselagem dos aviões. Esses relâmpagos muitas vezes são confundidos com ÓVNIs ou fantasmas e até meados do século passado eram considerados ilusão de óptica ou uma interpretação errada de outros fenômenos naturais.

Com a publicação de artigos de alguns famosos cientistas em revistas conceituadas, relatando suas observações sobre as bolas de fogo, a comunidade científica teve que rever seus conceitos. Surgiram várias teorias para explicar a sua origem. A mais recente foi divulgada em 2000, na revista britânica Nature. Pesquisadores da Universidade de Canterbury, Nova Zelândia, afirmam que o intenso calor gerado pela penetração de um relâmpago comum no solo produz pequenas partículas de Silício e outros compostos. Essas partículas, denominadas de nanoparticulas, se unem formando uma rede de filamentos e armazenam certa energia química. Ao cessar a descarga elétrica, esses filamentos se vaporizam e adquirem a forma de uma esfera. À medida que se oxidam lentamente no ar, essas partículas perdem a energia armazenada e emitem luz e calor. Tudo isso em alguns poucos milisegundos. Como a esfera se forma apenas no fim desse processo, ou seja, da vaporização à oxidação, o observador tem a impressão que ela se materializou no ar. Esta nova teoria também explicaria como o relâmpago de bola é capaz de atravessar as portas e janelas das residências sem causar danos. A rede de filamentos, sendo flexível e movendo-se com o ar, poderia passar pelas fendas existentes nas portas e janelas, se reorganizando do outro lado. Mas, outra particularidade deles é o poder de atravessar objetos maciços, como paredes ou fuselagem de aviões, o que ela não consegue explicar corretamente. Ainda assim, os estudos prosseguem. O próximo passo deverá ser o de criar um relâmpago de bola em laboratório, tarefa que os pesquisadores já estão tentando realizar.

Os trovões

As ondas sonoras geradas pelo movimento das cargas elétricas na atmosfera são denominadas trovões. Resultado do aumento da temperatura do ar por onde o raio passa, os trovões podem ser perigosos, nas proximidades de onde o fenômeno acontece. Entretanto, na maioria dos casos, causam apenas medo aos mais sensíveis.

Formação

O trovão é uma onda sonora provocada pelo aquecimento do canal principal durante a subida da Descarga de Retorno. Ele atinge temperaturas entre 20 e 30 mil graus Celsius em apenas 10 microssegundos (0,00001 segundos). O ar aquecido se expande e gera duas ondas: a primeira é uma violenta onda de choque supersônica, com velocidade várias vezes maior que a velocidade do som no ar e que nas proximidades do local da queda é um som inaudível para o ouvido humano; a segunda é uma onda sonora de grande intensidade a distâncias maiores. Essa constitui o trovão audível.

Características

Os meios de propagação dos trovões são o solo e o ar. A freqüência dessa onda sonora, medida em Hertz, varia de acordo com esses meios meios, sendo maiores no solo. A velocidade do trovão
também varia com o local onde se propaga. O trovão ocorre sempre após o relâmpago, já que a velocidade da luz é bem maior que a do som no ar. O que escutamos é a combinação de três momentos da propagação da descarga no ar: primeiro, um estalo curto (um som agudo que pode ensurdecer uma pessoa) gerado pelo movimento da Descarga de Retorno no ar. Depois, um som intenso e de maior duração que o primeiro estalo, resultado da entrada ou saída da descarga no solo e por último, a expansão de sons graves pela atmosfera ao redor do canal do relâmpago. Podemos ter uma percepção do som diferente, mas essa ordem é a mesma. Por isso, é muito perigoso ficar próximo ao local de queda de um relâmpago. A energia acústica ou energia sonora gasta para provocar esses estrondos é proporcional a freqüência do som. A maior parte dela, cerca de 2/3 do total, gera os trovões no solo e o restante (1/3) provoca som do trovão no ar. Mesmo assim, eles costumam ser bem violentos, como podemos perceber. Por causa da freqüência, os trovões no ar são mais graves (como batidas de bumbo). Aqueles estalos característicos dos trovões, os sons bastante agudos, além de dependerem da nossa distância à fonte, se relacionam com as deformações do canal e de suas ramificações. Quanto mais ramificado o canal, maior o número de estalos no trovão. Se o observador estiver próximo do relâmpago (a menos de 100 metros, por exemplo) o estalo será parecido a de uma chicotada. Isso está associado a onda de choque que antecede a onda sonora.

Duração

A duração dos trovões é calculada com base na diferença entre as distâncias do ponto mais próximo e do ponto mais afastado do canal do relâmpago ao observador. Por causa dessa variação de caminhos, o som chega aos nossos ouvidos em instantes diferentes. Em média, eles podem durar entre 5 e 20 segundos.

Dúvidas

Nesta seção, perguntas gerais e específicas sobre os relâmpagos.

Qual parte da estrutura o pára-raio protege?

A região de proteção ou zona de proteção será para uma estrutura (prédio ou residência) é aquela que, teoricamente, está imune à incidência direta do relâmpago. Em termos gerais, essa região pode ser representada por um cone imaginário cobrindo a estrutura, com pico situado no pára-raio (terminal aéreo) e um raio de base no solo. Para construções menores que 20 metros, esse raio equivale à altura estrutura + pára-raio e para outras construções maiores, o raio varia e geralmente é menor que essa altura. Alguns fatores como o tipo de estrutura a ser protegida e o nível de aterramento interferem nessa zona de proteção.

Os aviões têm pára-raios?

Os aviões possuem pára-raios para se protegerem contra as descargas. Os engenheiros de aeronaves também realizam testes com a carcaça dos aviões e verificam qual material suporta e distribui melhor essa descarga. Se isso não for feito, um relâmpago em pleno vôo pode causar imensos problemas, desde curtos-circuitos à falha total do sistema de comando. A blindagem eletrostática do avião não poderá ser aplicada nesse caso, pois esse conceito vale para fenômenos estáticos.

O relâmpago pode cair no mar?

Os relâmpagos podem ocorrer em qualquer lugar, inclusive na água. Quando a quantidade de cargas numa nuvem de chuva atinge os níveis para a formação das descargas, elas poderão acontecer, independente do local. Muitas pessoas já foram atingidas por relâmpagos quando nadavam ou pescavam. Dentro d'água, os peixes morrem com a intensa corrente elétrica da descarga do relâmpago. Por isso, não se deve nadar ou fazer qualquer atividade na água dos rios ou mares na ocasião de uma tempestade.

Existem relâmpagos em outros planetas?

A Terra não é o único planeta onde relâmpagos ocorrem. Os relâmpagos têm sido detectados também em Vênus, Júpiter e Saturno. Supõe-se que ocorram em Urano e Netuno. Dados enviados pela sonda Galileu em torno de Júpiter sugerem que lá os relâmpagos são formados pelos mesmos mecanismos que os produzem na Terra. Em 1979, as sondas Voyager 1 e 2 registraram pela primeira vez em Júpiter a formação de nuvens como as que produzem ciclones na Terra e descobriram uma grande quantidade de relâmpagos em seu hemisfério noturno, sugerindo a presença de intensas tempestades.

Como é feito o estudo dos relâmpagos com foguetes?

Relâmpagos do tipo solo-nuvem podem ser reproduzidos através de pequenos foguetes conectados a longos fios de cobre lançados na direção das tempestades. Após o lançamento, o fio do foguete se desenrola e cria um caminho condutor por onde o relâmpago vem a se propagar. Tal técnica é bastante perigosa e deve ser feita por profissionais da área. Ela tem permitido medir campos elétricos e magnéticos bem próximos ao canal do relâmpago. Os relâmpagos podem ser detectados também do espaço, através de sensores ópticos a bordo de satélites e naves espaciais. Um fato interessante é que os satélites não conseguem distinguir entre raios em nuvens e entre nuvens e solo, mas têm mostrado que cerca de 50 a 100 relâmpagos ocorrem por segundo em nosso planeta. A região tropical recebe 70 % das descargas.

Na rua, podemos ficar em grupos durante uma tempestade?

Em condições de estabilidade atmosférica (céu claro, sem nuvens de tempestade), há um campo elétrico uniforme próximo à superfície, orientado para baixo. Com isso, se supõe a existência de linhas equipotenciais perpendiculares a esse campo e uma pessoa normalmente estaria sujeita a uma diferença de potencial considerável. Felizmente isso não ocorre, porque o corpo humano é um bom condutor e se comporta como se fizesse parte da Terra. Ficamos com o mesmo potencial
elétrico da Terra, que é considerado nulo. Na maioria das vezes, não é a diferença de potencial de uma região que causa perigo, mas sua quantidade de carga. Em tempo bom, há pouca carga associada ao potencial que estamos submetidos. Quando há tempestades, a nuvem carregada pode induzir na superfície terrestre cargas elétricas consideráveis. Permanecendo sozinho, nos assemelhamos a uma ponta e ficando em grupos, essas cargas terão uma superfície "especial" de
onde poderão sair uma ou mais descargas.

Devemos cobrir espelhos durante uma tempestade?

A prática de algumas pessoas em cobrir espelhos ou se afastar deles quando ocorrem tempestades não tem nenhum princípio físico. Espelhos não atraem relâmpagos, tampouco irão "refletir" a descarga em cima de alguém. Essa é apenas mais uma das muitas crendices populares existentes e não deve ser levada em conta como regra de proteção contra os relâmpagos.

É possível determinar o ponto onde a descarga do relâmpago acontece?

Podemos determinar, através de um cálculo bastante simples, a distância entre nós e onde relâmpago "caiu", em outras palavras, o seu "local de queda". Ao vermos o clarão do relâmpago, devemos marcar o tempo para escutarmos o barulho do trovão. Divide-se esse resultado por 3 e a resposta será a distância aproximada, em quilômetros, do local de queda. Esse cálculo não leva em conta fatores como o número de ramificações do relâmpago, tipo de atmosfera, distâncias reais do ponto no solo e do ponto da nuvem à pessoa. Tudo isso certamente influenciaria no resultado. A margem de erro é de 20%. Quando não conseguimos ouvir um trovão após o clarão do relâmpago, significa que ele ocorreu a uma distância suficiente para toda a energia sonora se perder no ar.
Essa distância geralmente é maior ou igual a 20 quilômetros.