Tempestades

Juntando todas as regiões de tempo bom no globo, verificou-se que há uma corrente elétrica de uns 1000 Ampères descarregando o capacitor planetário. O gerador que mantém o capacitor carregado, como veremos a seguir, são as tempestades e seus raios. As "descargas" elétricas que chamamos de raio, na verdade, carregam o capacitor terrestre, trazendo cargas negativas das nuvens para o solo.

A superfície da Terra é a placa negativa do capacitor e a ionosfera, a uns 50 km de altitude, é a placa positiva. Nas regiões de tempo bom, mostradas (apropriadamente) em azul, há uma corrente da placa positiva para a negativa. No total, essa corrente chega a 1000 Ampères e tende a descarregar o capacitor. Lembre que o "sentido convencional" da corrente elétrica vai da placa positiva para a negativa. As regiões onde ocorrem tempestades funcionam como se fossem enormes baterias suprindo uma corrente positiva do solo para cima. No cômputo geral, os dois efeitos se compensam e o capacitor se mantém carregado.

Medidas da quantidade de carga trocada durante as tempestades elétricas levam a valores de corrente total que se aproximam daqueles 1000 Ampères que fluem, em sentido contrário, nas regiões de tempo bom. Isso dá um balanço quantitativo ao processo geral. Além disso, verificou-se que as tempestades ocorrem, em média, com maior freqüência quando são 19 horas em Greenwich. Isto é, a distribuição das áreas de tempestade reproduz, aproximadamente, a curva de Carnegie, mostrando que há uma correlação entre as duas correntes.

As tempestades envolvem grandes nuvens chamadas "cumulus nimbus". São nuvens pesadas, com uns 10, ou mais, quilômetros de diâmetro na base e uns 10 a 20 quilômetros de altura. Medidas da carga elétrica em nuvens de tempestade indicam uma distribuição de carga semelhante, a grosso modo, a esta vista ao lado. O topo da nuvem é carregado positivamente e a base, negativamente.

As cargas negativas concentradas no pé da nuvem induzem cargas positivas no solo, abaixo delas. Entre a nuvem e o solo podem surgir diferenças de potencial elétrico da ordem de milhões de volts. É aí que se dão algumas das descargas elétricas que chamamos de raio.

A questão importante, nessa altura de nosso relato, é: como e por que as cargas se separam na nuvem de tempestade? Pois é, isso ninguém ainda sabe responder direitinho. Vários palpites já foram dados, é claro, alguns mais felizes que outros. Um dos melhores foi apresentado pelo físico Charles T. R. Wilson, o mesmo que inventou a câmara de nuvens para observar partículas sub-atômicas. Aliás, também foi dele a idéia de que as tempestades funcionam como baterias para manter carregado o condensador planetário.

Imagine uma gota de água no interior de uma nuvem, caindo por gravidade. Como a gota está na presença de nosso conhecido campo elétrico de 100 V/m, haverá alguma separação de cargas dentro dela. A gota fica polarizada, com a parte de cima negativa e a de baixo, positiva. Na queda, a gota vai encontrando alguns dos tais íons positivos e negativos que existem na atmosfera. Os íons positivos são repelidos pela frente de ataque da gota em queda, enquanto os íons negativos são atraídos. Desse modo, à medida que cai, a gota vai acumulando cargas negativas e levando-as para a base da nuvem. Por conseqüência, a parte de cima da nuvem fica cada vez mais positiva.

O problema com esse modelo é que a carga total envolvida em uma nuvem de tempestade é muito grande e, aparentemente, o número de íons disponíveis não é suficiente para justificá-la. Na tentativa de salvar o modelo, Wilson e vários outros inventaram alguns truques mais ou menos engenhosos. A verdade, no entanto, é que ainda não existe um modelo inteiramente aceito e comprovado para o mecanismo de separação de cargas em uma nuvem de tempestade.

Essa é uma boa notícia para quem pretende, algum dia, ser um físico (ou física) da atmosfera. Talvez seja você que resolva esse quebra-cabeças. E, se for um físico (ou física) experimental, terá ocasião de fazer vôos de alta adrenalina pelo interior de nuvens turbulentas.

Anatomia de um raio

Na linguagem popular, relâmpago é o clarão intenso e raio é a descarga elétrica que causa o clarão. Adotaremos essa terminologia para descrever como é um raio. A maioria dos raios ocorre dentro da própria nuvem ou de uma nuvem para outra. Mas, vamos nos limitar a descrever um raio entre uma nuvem e o solo. E, já avisamos que esse, também, é um assunto de pesquisa em progresso, portanto, inacabado.

No final da página anterior tínhamos uma nuvem enorme com cargas separadas, negativas na base e positivas no topo. A presença dessas cargas negativas na base da nuvem induz uma carga positiva no solo, resultando em diferenças de potencial de milhões de volts entre a nuvem e a terra. Uma voltagem tão alta pode romper a capacidade de isolamento do ar (chamada de "rigidez dielétrica") fazendo com que elétrons, cargas negativas, comecem a se mover da nuvem para a terra. A figura abaixo mostra uma seqüência do que acontece nesse momento.

Os elétrons se movem na direção do solo em uma sucessão de passos, cada um com cerca de 50 metros. Esse percurso em zig-zag é chamado de "líder escalonado". "Líder" porque abre caminho para outros elétrons e "escalonado" porque é uma seqüência de degraus. A velocidade de deslocamento desses elétrons é muito alta, da ordem de 100 km/s. Alguns trechos podem se separar do trajeto principal, formando ramificações. Todo esse processo é extremamente rápido e praticamente invisível, pois a luminosidade do líder é baixa.

Quando a ponta do líder chega a uns 20 metros do solo, uma descarga, chamada "descarga de conexão", inicia-se de algum local pontudo no solo e fecha o circuito, formando um "fio condutor" que liga a terra à nuvem. As cargas negativas presentes no líder movem-se, então, em grande velocidade para o solo. As mais próximas do solo dão início à descarga e o processo todo se propaga às partes superiores com uma velocidade incrível. Um belo e apavorante risco luminoso corre do chão para a nuvem, mas, o processo é tão rápido que vemos todo o raio de uma vez. Observe que os elétrons movem-se de cima para baixo no canal aberto pelo líder enquanto a região de alta corrente e luminosidade sobe pelo canal. O ar em redor do canal luminoso é subitamente aquecido e se expande com violência. O som dessa expansão é o que chamamos de trovão.

Depois dessa descarga inicial, outras descargas secundárias costumam ocorrer, aproveitando o mesmo caminho aberto pelo líder. São de menor intensidade e ocorrem depois de um tempo tão curto que parecem ser um único raio. Só com câmeras de alta velocidade é possível distinguir as várias descargas.

Adaptado de www.fisica.ufc.br

Autoria: Karla Martins Bezerra