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“Raios e trovões!”: A ciência da natureza e detecção dos relâmpagos

Raio visto no estado americano de Oregon. Foto: Steve Lenz/Steve Lenz Photography

Raio visto no estado americano de Oregon. Foto: Steve Lenz/Steve Lenz Photography

O Brasil é o país com maior incidência de raios do mundo. Estes fenômenos meteorológicos produzem imagens fascinantes, embora sejam extremamente perigosos. Nos Estados Unidos, por exemplo, eles são a segunda maior causa anual de mortes relacionadas ao clima, de acordo com a National Weather Association, fato que se deve aos incêndios, quedas de energia e danos a equipamentos eletrônicos que os raios provocam.

A ciência de detecção dos relâmpagos se aperfeiçoou muito desde que Benjamin Franklin descobriu a natureza elétrica destes, no século XVIII. Hoje, os pesquisadores podem prever as condições que precederão uma descarga elétrica e identificar o local e a força dela enquanto ocorre.

O cientista atmosférico Philip Bitzer, da Universidade do Alabama, pondera que os pesquisadores fizeram um “progresso significativo na compreensão da física dos raios, mas ainda há muito trabalho que pode ser feito”.

A própria formação dos raios permanece, em parte, envolta em mistério, mas aqui vai uma boa explicação: uma corrente de ar quente ascendente chega a uma altitude na qual a temperatura está logo acima da temperatura de congelamento da água. Devido à diferença térmica, cristais de gelo colidem uns com os outros e perdem elétrons, transformando-se em íons, o que, na prática, deixa as nuvens eletricamente carregadas — compostas por partículas com cargas positivas e negativas. Tal polarização nas nuvens gera um campo elétrico que, conforme cresce, se torna capaz de retirar elétrons das moléculas do ar, transformando este isolante em condutor de eletricidade, o que se chama quebra da rigidez dielétrica do meio. A partir daí, os íons negativos e os elétrons livres do ar são fortemente atraídos por cargas positivas nas nuvens ou no solo, e se dá a descarga elétrica.

A fúria de Zeus ocorre de duas formas: relâmpagos entre uma nuvem e outra (inter-nuvens), ou entre a nuvem e o solo. Esta segunda forma impõe maior risco direto a nós, porém, as descargas entre-nuvens podem estar ligadas à queda de granizo e à formação de tornados, segundo o cientista Kenneth Cummins, da Universidade do Arizona.

Portanto, é essencial saber mais sobre a natureza e a quantidade das descargas, e nossos sistemas de detecção de raios têm evoluído muito desde a virada do século XX, diz Cummins. Uma das coisas mais importantes a se fazer é criar um banco de dados do mapeamento dos raios — redes de sensores eletromagnéticos capazes de captar os lampejos, ou flashes, e de medir a energia que eles liberam.

Mapeando os raios

Sistemas diferentes capturam as descargas elétricas de acordo com sua frequência, o que corresponde à energia produzida por elas. “Quanto mais alta a frequência a que se chega, menor é o objeto que se retrata”, diz Cummins.

Sensores de frequência muito alta (very high frequency, ou VHF) medem a radiação eletromagnética e capturam imagens da estrutura ramificada de um raio. Estes sensores operam em uma escala que vai de 10 a 100 megahertz.

Já os sensores de baixa frequência (low frequency, ou LF) captam enormes atividades elétricas, como os extensos canais de eletricidade nos lampejos nuvem-solo e inter-nuvens, além de fornecerem dados quanto à energia liberada (sob as formas de luz, calor e energia atômica, como raios-X e raios gama) por uma descarga. Estes sensores operam em frequências que partem de centenas de kilohertz a alguns megahertz, e são utilizados em massa na previsão e monitoramento de intempéries.

No extremo da escala, os sensores de frequência muito baixa (very low frequency, ou VLF) medem sinais eletromagnéticos não apenas na superfície terrestre, mas entre a Terra e a ionosfera, camada da atmosfera que é eletricamente carregada pela radiação solar. Eles operam em um espectro que vai de 5 a 30 kilohertz.

Philip Bitzer e seus colegas desenvolveram um aparelho que opera na escala LF/VLF e mede alterações no campo elétrico provocadas por descargas elétricas, convertendo-as em uma voltagem. O pesquisador afirma proteger seu sensor da chuva usando um prato de metal invertido, na verdade uma bacia de salada adquirida em uma loja de departamentos.

Além da visão que os cientistas têm dos raios aqui na Terra, seria conveniente observar estes fenômenos do espaço, razão pela qual os cientistas da Universidade do Alabama desenvolveram um dispositivo acoplado a um satélite que conta os fótons na baixa órbita do planeta. O satélite dá uma volta na Terra a cada 90 minutos, dando aos cientistas uma boa ideia da quantidade e distribuição dos relâmpagos ao redor do mundo. Planeja-se o lançamento de um satélite geoestacionário — satélite que fica aparentemente “parado” sobre um mesmo ponto na superfície do planeta enquanto o orbita — para o mapeamento de raios em 2015, de acordo com projeto da NASA e da National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).

“Raios e trovões!”

A imagem dos ramos brilhantes de um raio no céu é icônica. No entanto, o fenômeno ocorre rápido demais para que o olho humano o capte em detalhes, e os pesquisadores utilizam câmeras de alta velocidade (que, apesar do que o nome sugere, servem para captar imagens e reproduzi-las em câmera lenta) para observar como o raio viaja entre o céu e a Terra.

No início, uma carga líder negativa desce da base da nuvem e, quando se aproxima do solo, cria um campo elétrico muito intenso que, mais uma vez, provoca a quebra da rigidez dielétrica do ar. Então, íons positivos, os líderes conectantes, são arrancados do solo e se encontram com a carga líder, o que fecha o canal do relâmpago. Todas as cargas negativas que seguem a carga líder passam pelo novo canal até o ponto de que saíram as cargas positivas, enquanto os íons positivos vão até a nuvem, formando a chamada descarga de retorno.

Não é muito prático para os pesquisadores esperar que os raios caiam, tampouco podem eles provocar uma descarga como fazia o bruxo Dr. Victor, personagem eternizado pelo ator Sérgio Mamberti na série de TV infantil Castelo Rá-Tim-Bum produzida pela TV Cultura nos anos 1990. Para quem não viveu nessa época ou não conhece a série, o Dr. Victor, em momentos de fúria, exclamava o bordão “Raios e trovões!”, que era seguido imediatamente pelas luzes e estrondos característicos destes fenômenos.

Na versão científica do bruxo do Castelo Rá-Tim-Bum, alguns pesquisadores disparam foguetes na direção das nuvens para ativar relâmpagos. Os foguetes criam a corrente de ar quente que penetra uma camada negativamente carregada nas nuvens, provocando um lampejo. Outros estudiosos dos raios propuseram que os raios fossem gerados a partir de lasers ou jatos d’água, mas não se sabe se seriam métodos eficientes o bastante para a aplicação sistemática em estudos.

Fontes: LiveScience, Universidade Federal do Pará

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This entry was posted on 14 de Outubro de 2013 by in Física and tagged , , , , , , , .

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