RELÂMPAGOS

Um relâmpago é uma corrente eléctrica muito intensa que ocorre na atmosfera com típica duração de meio segundo e típica trajectória com comprimento de 5-10 quilómetros. Ele é consequência do rápido movimento de electrões de um lugar para outro. Os electrões movem-se tão rápido que eles fazem o ar ao seuredor iluminar-se, resultando num clarão, e aquecer-se, resultando num som (trovão). Um relâmpago é tipicamente associado a nuvens cumulonimbus ou de tempestade, embora possa ocorrer em associação com vulcões activos, tempestades de neve ou, mesmo, tempestades de poeira. Dentro das tempestades, diferentes partículas de gelo tornam-se carregadas através de colisões. Acredita-se que as partículas pequenas tendem a adquirir carga positiva, enquanto que as maiores adquirem predominantemente cargas negativas. Estas partículas tendem, então, a se separar sobre a influência de correntes de ar ascendentes e descendentes e da gravidade, de tal modo que a parte superior da nuvem adquira uma carga líquida positiva e a parte inferior uma carga líquida negativa. A separação de carga produz então um enorme campo eléctrico tanto dentro da nuvem como entre a nuvem e o solo. Quando este campo, eventualmente, quebra a resistência eléctrica do ar, um relâmpago tem início. Em termos gerais, existem dois tipos de relâmpagos: relâmpagos na nuvem e relâmpagos no solo. Relâmpagos na nuvem originam-se dentro das nuvens cumulonimbos, normalmente na região onde gotículas de água se transformam em gelo, e propagam-se dentro da nuvem (relâmpagos intra-nuvem) ou fora da nuvem, rumo a outra nuvem (relâmpagos nuvem-nuvem) ou numa direcção qualquer no ar (descargas para o ar). Relâmpagos no solo, por sua vez, podem originar-se na mesma ou em outras regiões dentro da nuvem cumulonimbos (relâmpagos nuvem-solo) ou no solo, abaixo ou perto da tempestade (relâmpagos solo-nuvem). Mais de 99 % dos relâmpagos no solo são relâmpagos nuvem-solo. Relâmpagos solo-nuvem são relativamente raros e, geralmente, ocorrem do topo de montanhas ou estruturas altas, ou ainda podem ser gerados por foguetes lançados em direcção as tempestades. Relâmpagos no solo podem também ser classificados em termos do sinal da carga do líder, negativa ou positiva, que inicia a descarga. Cerca de 90 % dos relâmpagos nuvem-solo que ocorrem em nosso planeta são negativos. Esta percentagem, entretanto, pode mudar substancialmente em determinadas tempestades. Cerca de 70 % do total de relâmpagos são relâmpagos na nuvem. Embora eles sejam a maioria dos relâmpagos, eles são menos conhecidos que os relâmpagos no solo, em parte porque eles são menos perigosos, em parte porque eles são escondidos pela nuvem. Uma forma rara de relâmpagos, não incluída nas categorias acima, são os relâmpagos de bola. Um relâmpago de bola é o nome dado a uma esfera luminosa que geralmente ocorre perto das tempestades, mas não necessariamente simultaneamente a um relâmpago normal. Elas são, em geral, vermelhas, amarelas, azuis, laranjas ou brancas, tem um diâmetro de 10 a 40 centímetros, aparecem próximo ao solo ou na atmosfera, e mantêm um brilho relativamente constante durante sua vida. Elas podem mover-se rápida ou lentamente, ou ficar paradas, podem ser silenciosas ou produzir estalos, duram de segundos a minutos (média de 4 segundos) e desaparecem lenta ou subitamente em silêncio ou produzindo um ruído. Embora elas tenham sido observadas por mais de um século, não são bem conhecidas e permanecem um mistério.

        Um relâmpago pode ser constituído por uma ou várias descargas, chamadas descargas de retorno. No primeiro caso, ele é chamado de relâmpago simples e, no segundo, de relâmpago múltiplo. Cada descarga de retorno dura algumas centenas de microssegundos e, em relâmpagos múltiplos, o intervalo de tempo entre descargas de retorno consecutivas é tipicamente 40 milissegundos. Quando o intervalo de separação entre as descargas de retorno é próximo de 100 milissegundos, o relâmpago é visto piscar no céu, porque o olho humano consegue identificà-las individualmente. As figuras a seguir ilustram os vários processos contidos em um relâmpago nuvem-solo negativo (com indicação dos típicos intervalos de tempo), acompanhadas por uma detalhada descrição destes processos. Outros tipos de relâmpagos no solo têm etapas similares, com pequenas diferenças, principalmente no que se refere ao processo inicial. Relâmpagos na nuvem, entretanto, apresentam um desenvolvimento diferente e que ainda não é muito bem conhecido. Quase nada se sabe sobre o desenvolvimento de relâmpagos raros, como relâmpagos de bola ou relâmpagos relacionados a vulcões, tempestades de neve ou poeira.

        Um relâmpago nuvem-solo negativo inicia-se através da quebra de rigidez do ar dentro da nuvem cumulonimbos. Ela é causada por um intenso campo eléctrico de cerca de 100-400 kV/m entre duas regiões de cargas opostas, em geral, na parte inferior da nuvem, valor este que excede o campo local para a quebra de rigidez. Os electrões na região de cargas negativas são tão fortemente atraídos pelas cargas positivas que começam a se mover através do ar rumo a estas cargas criando um canal condutor. O processo de quebra de rigidez tem uma duração média de 100 milissegundos e é, normalmente, localizado perto da região de cargas negativas da nuvem. Este processo estabelece as condições para que as cargas negativas sejam levadas rumo ao solo pelo líder escalonado.

          Sobre a influência do campo eléctrico estabelecido entre a nuvem e o solo, as cargas negativas (electrões) então movem-se em etapas de dezenas de metros de comprimento chamadas etapas do líder. Cada etapa tem uma duração típica de 1 microsegundo, com uma pausa entre elas de 50 microssegundos. Após alguns milissegundos, o líder escalonado surge da base da nuvem, movendo-se em direcção ao solo. Ao longo do movimento, algumas cargas seguem novos caminhos devido a influência de cargas na atmosfera ao redor do canal, formando as ramificações. As cargas no canal movem-se rumo ao solo em etapas com uma velocidade média de cerca de 100 km/s e produzindo uma fraca luminosidade em uma região com um diâmetro entre 1 e 10 m ao longo do qual a carga é depositada. A maioria da luminosidade é produzida durante as etapas de 1 microsegundo, praticamente não havendo luminosidade durante as pausas. A medida que as cargas do líder propagam-se ao longo do canal rumo ao solo, variações de campo eléctrico e magnético são também produzidas. Ao todo, um líder escalonado transporta 10 ou mais coulombs de carga e alcança um ponto perto do solo em dezenas de milissegundos, dependendo  da tortuosidade de seu caminho. A corrente média do líder escalonado é cerca de 1 kA e é transportada em um núcleo central do canal com alguns centímetros de diâmetro.

        Quando o canal do líder escalonado aproxima-se do solo, a carga eléctrica contida no canal produz um campo eléctrico intenso entre a extremidade do líder e o solo, correspondente a um potencial eléctrico de cerca de 100 milhões de volts. Este campo causa a quebra de rigidez do ar próximo ao solo fazendo com que uma ou mais descargas positivas ascendentes, denominadas líderes ou descargas conectantes, saiam do solo, em geral, dos objectos mais altos. A distância entre o objecto a ser atingido e a extremidade do líder no instante em que o líder conectante sai do solo é chamada distância de atracção. A distância de atracção tende a aumentar com o aumento do pico de corrente da descarga de retorno. O ponto de junção entre o líder escalonado e o líder conectante é normalmente considerado estar no meio da distância de atracção. Quando um dos líderes conectantes encontra o líder negativo descendente, em geral entre 10 a 100 metros do solo, o canal do relâmpago é formado. Então, as cargas armazenadas no canal começam a mover-se em direcção ao solo e uma onda propaga-se como um clarão visível para cima ao longo do canal com uma velocidade de cerca de 100.000 km/s, um terço da velocidade da luz, iluminando o canal e todas as outras ramificações. A velocidade da onda diminui com a altura. Esta descarga é denominada de descarga de retorno, dura algumas poucas centenas de microssegundos e produz a maioria da luz que vemos. A luz da descarga de retorno origina-se de emissões contínuas e discretas de átomos, moléculas e iões após serem excitados e ionizados pela onda e move-se para cima devido ao fato de que os primeiros electrões a mover-se para baixo em direcção ao solo são aqueles mais próximos ao solo. A medida que electrões mais acima no canal movem-se, as partes superiores do canal tornam-se visíveis. Devido ao movimento para cima da luz ao longo do canal ocorrer muito rápido para poder ser visto, o canal como um todo parece iluminar-se ao mesmo tempo. Os ramos do canal que não conectam-se ao solo, normalmente, não são tão brilhantes quanto aquela parte do canal abaixo do ponto de junção com a ramificação. Isto é devido ao fato de que menos electrões passam através deles do que através do canal. A luz da descarga de retorno é geralmente branca. Entretanto, da mesma maneira que o pôr do sol pode ter várias cores, relâmpagos distantes podem também apresentar outras cores, tais como amarelo, roxo, laranja ou mesmo verde, dependendo das propriedades da atmosfera entre o relâmpago e o observador. As cargas depositadas no canal, bem como aquelas ao redor e no topo do canal, movem-se para baixo ao longo do centro do canal em uma região com uns poucos centímetros de diâmetro, produzindo no solo um pico de corrente médio de cerca de 30-40 kA, com variações desde poucos até centenas de kA. Medidas de corrente em torres equipadas tem registrado valores máximos de 400 kA. Em geral, a corrente atinge seu pico em alguns microssegundos, e decai a metade desde valor em cerca de 50 microssegundos. A carga negativa média transferida ao solo é de cerca de 10 coulombs, com valores máximos em torno de 200 coulombs. No processo, campos eléctricos e magnéticos com variações temporais desde nanossegundos até milissegundos são produzidos. Estes campos são genericamente chamados de sferics. A forma de onda dos sferics é similar a forma de onda da corrente, com um pico quase no mesmo instante do pico de corrente e um segundo pico invertido associado com o campo reflectido na base da ionosfera. Em distâncias maiores que 10 km do relâmpago, o pico dos campos tende a diminuir inversamente com a distância, na ausência de efeitos de propagação significativos.
  
 

          Para distâncias maiores que cerca de 50-100 km, o pico dos campos é significativamente atenuado devido à propagação sobre a superfície não perfeitamente condutora da terra. No instante do pico dos campos, a média da potência electromagnética total irradiada é cerca de dez vezes maior do que aquela no espectro óptico. Em geral, o pico dos campos produzido por relâmpagos nas nuvens é menos intenso do que aquele produzido por relâmpagos no solo. No domínio de frequência, os campos tem uma máxima intensidade ao redor de 5-10 kHz para relâmpagos no solo e ao redor de 100-200 kHz para relâmpagos nas nuvens. A descarga de retorno também aquece violentamente o ar ao seu redor. O ar atinge temperaturas máximas de cerca de 20.000 a 30.000 graus Celsius em cerca de 10 microssegundos, correspondendo a densidades de electrões de 10²⁰ electrões por metro cúbico. Quando o ar é aquecido, ele se expande, e esta expansão gera, em uma distância de poucas centenas de metros, uma onda de choque supersónica e, em distâncias maiores, uma onda sonora intensa que se afasta do canal em todas as direcções. Estas ondas são os trovões que ouvimos. Trovões produzidos por relâmpagos no solo tem, tipicamente, um máximo de intensidade em torno de 50-100 Hz, enquanto que aqueles produzidos por relâmpagos nas nuvens tem um máximo em torno de 20-30 Hz. Próximo do relâmpago, o som será um intenso estalo e pode causar danos ao ouvido humano. Distante do relâmpago, o som será um estrondo relativamente fraco. A duração do trovão é uma medida da diferença entre as distâncias do ponto mais próximo e do ponto mais distante do canal ao observador. Durações típicas são 5-20 segundos. A maioria dos trovões tem estrondos e estalos porque o canal é torto, fazendo com que ondas de som cheguem ao observador em diferentes instantes e de diferentes direcções. Estalos também podem ser produzidos por ramificações. Quanto maior o número de ramificações, maior é o número de estalos no trovão. Se o relâmpago ocorrer a uma distância ao redor de 100 metros do observador ou menos, ele escutará um intenso estalo semelhante ao estalo de um chicote (algumas vezes precedido por um estalido, semelhante a um estalido de dedos) o qual é associado a onda de choque que precede a onda sonora. Trovões produzidos por relâmpagos no solo em geral podem ser escutados até distâncias de 20 km. Trovões produzidos por relâmpagos nas nuvens são similares aqueles produzidos por relâmpagos no solo porém, em geral, são mais fracos. Durante períodos de fortes chuvas e ventos, esta distância será menor enquanto que, em noites calmas, trovões podem ser escutados a distâncias maiores. Parte da energia acústica do trovão esta concentrada em frequências abaixo daquelas que o ouvido humano pode escutar, em geral umas poucas dezenas de Hz. Esta parte é chamada trovão infrasónico e acredita-se estar associada com mudanças na energia electrostática dentro da nuvem após a ocorrência de um relâmpago. O trovão pode ser usado para calcular qual a distância de um relâmpago. Quando você enxergar o clarão, comece a contar os segundos até escutar o trovão. Divida o número de segundos por três (3) e você terá a distância aproximada do relâmpago em quilómetros. O erro médio associado com este método é de 20 %. Em parte, a origem deste erro é devida ao fato de que a maioria dos relâmpagos tem longas ramificações. Assim, um relâmpago a três quilómetros de distância pode produzir um trovão após três segundos, indicando que uma ramificação está somente a um quilometro de distância. Se você enxergar o clarão e não escutar o trovão, o relâmpago provavelmente esta a mais de 20 quilómetros de você.

        Após a corrente da descarga de retorno percorrer o canal, o relâmpago pode terminar. Entretanto, na maioria dos casos, após uma pausa média de 30-60 milissegundos, mais cargas são depositadas no topo do canal por descargas dentro da nuvem, denominadas processos K e J. O processo J é responsável por uma lenta variação do campo eléctrico no solo com duração de cerca de dezenas de milissegundos, enquanto que o processo K produz variações de campo do tipo pulsos (chamadas variações K) em intervalos de poucos milissegundos, com pulsos individuais com duração de dezenas a centenas de microssegundos e picos de campo eléctrico cerca de dez vezes menor do que aqueles produzidos por descargas de retorno. Estes processos são indicativos de transporte de carga dentro da nuvem. Desde que existe um caminho já ionizado de ar produzido pelo líder escalonado, outro líder pode propagar-se em direcção ao solo pelo canal. Este líder normalmente não é escalonado, mas contínuo e é chamado líder contínuo. Ele aproxima-se do solo em poucos milissegundos, propagando-se com velocidades de cerca de 3000 km/s. Ele não é visível e, normalmente, não possui ramificações. O líder contínuo deposita uns poucos coulombs de carga ao longo do canal em consequência de uma corrente de cerca de 1 kA. Quando o líder contínuo aproxima-se do solo, tem-se novamente uma descarga de retorno, denominada descarga de retorno subsequente, que normalmente não é tão brilhante quanto a primeira descarga de retorno, nem tão pouco, ramificada. O pico de corrente de descargas de retorno subsequentes é normalmente, mas nem sempre, menor do que aquele da primeira descarga de retorno. A corrente de descargas de retorno subsequentes também levam menos tempo para alcançar seu pico (cerca de 1 microsegundo) e para decair a metade deste valor (cerca de 20 microssegundos) do que as primeiras descargas de retorno. Em consequência, os campos induzidos são também usualmente menores em amplitude e tem uma menor duração do que os campos associados as primeiras descargas de retorno. Algumas vezes, quando o tempo após uma descarga de retorno é maior do que 100 milissegundos, parte do canal pode ser dissipado e um novo líder que inicie seu trajeto como um líder contínuo pode, após algum tempo, mudar para líder escalonado. Nestes casos, o líder é chamado líder contínuo-escalonado e alcança o solo em um diferente ponto com relação ao líder anterior. A descarga de retorno subsequente segue então um caminho diferente na atmosfera com relação à primeira descarga de retorno e o relâmpago apresenta um canal bifurcado. Cerca de um quarto dos relâmpagos para o solo mostram este efeito. Este processo líder/descarga de retorno subsequente pode se repetir várias vezes, fazendo com que o relâmpago pisque no céu a cada nova descarga de retorno. Todas as descargas de retorno que seguem ao menos parcialmente o mesmo canal constituem um mesmo relâmpago nuvem-solo. Então, um relâmpago pode ser formado por uma a até dezenas de descargas de retorno. O número médio de descargas de retorno em um relâmpago nuvem-solo negativo é cerca de 3 a 5 e o número máximo já registrado é 42. Frequentemente, uma corrente da ordem de 100 A percorre o canal por vários millisegundos ou mesmo dezenas ou até centenas de milissegundos após a primeira descarga de retorno ou alguma descarga de retorno subsequente. Esta corrente é chamada de corrente contínua e tipicamente transporta 10 coulombs de carga para o solo. Correntes contínuas produzem lentas e intensas variações de campo em medidas de campo eléctrico próximas de relâmpagos e uma contínua não visível luminosidade do canal. Algumas vezes, durante a ocorrência de corrente contínua, a luminosidade do canal aumenta durante cerca de 1 milisegundo seguindo um momentâneo aumento de corrente, um processo denominado de componente M. O termo variação M é usado para denotar a variação de campo eléctrico que acompanha a ocorrência da componente M.

        Relâmpagos no solo podem também ser iniciados por lideres positivos descendentes, isto é, líderes positivamente carregados. Na realidade, líderes positivos descendentes correspondem a movimentos ascendentes de cargas negativas (electrões). A descarga de retorno resultante efectivamente transporta cargas positivas da nuvem para o solo. Neste caso, o relâmpago é chamado de relâmpago positivo. Em geral, não existem descargas de retorno subsequentes em relâmpagos positivos, isto é, eles são relâmpagos simples. O pico de corrente médio das descargas de retorno de relâmpagos positivos, bem como a carga média depositada no solo, entretanto, são normalmente maiores do que os correspondentes valores para descargas de retorno de relâmpagos negativos, de modo que eles geralmente causam maiores danos do que os relâmpagos negativos. Uma grande parte dos incêndios em florestas e danos às linhas de energia eléctrica causados por relâmpagos são devidos a relâmpagos positivos.

        Acredita-se que os relâmpagos tem um largo efeito sobre o meio ambiente. Eles provavelmente estavam presentes durante o surgimento da vida na Terra, e podem mesmo ter participado na geração das moléculas as quais deram origem a vida. Relâmpagos provocam incêndios participando, com isto, na composição de equilíbrio das árvores e plantas. Relâmpagos modificam as características da atmosfera ao redor das regiões onde ocorrem. Eles quebram as moléculas do ar, as quais ao se recombinarem produzem novos elementos. Estes novos elementos mudam o equilíbrio químico da atmosfera, afectando a concentração de importantes elementos com o ozono, bem como misturam-se com a chuva e se precipitam como fertilizantes naturais. Relâmpagos exercem um papel em manter o campo eléctrico de tempo bom na atmosfera, o qual é uma consequência da carga negativa líquida existente na Terra e da carga positiva líquida na atmosfera. Relâmpagos produzem fenómenos transientes na atmosfera superior, conhecidos como sprites, jatos azuis e elves. Estes fenómenos são fracas luzes quase invisíveis ao olho humano que ocorrem na mesosfera, troposfera e na baixa ionosfera, respectivamente. Observações de sprites e jatos azuis tem sido feitas com câmaras de alta sensibilidade e, mais recentemente, por telescópios no alto de montanhas, apontados na direcção de tempestades centenas de quilómetros distantes. Relâmpagos também exercem um papel significativo na manutenção do equilíbrio entre ondas e partículas na ionosfera e magnetosfera, actuando como uma fonte de ondas.

        Durante as duas últimas décadas, relâmpagos nuvem-solo tem sido detectados e mapeados em tempo real em largas regiões por vários sistema de detecção de relâmpagos. Alguns países, como os Estados Unidos, o Japão e o Canadá, estão inteiramente cobertos por tais sistemas. Sobre os Estados Unidos, uma média de 20-30 milhões de relâmpagos nuvem-solo tem sido detectados todo ano, desde 1989, ano em que tais sistemas começaram a cobrir integralmente todo o país. Outros países como o Brasil, estão parcialmente cobertos. Estimativas aproximadas indicam que cerca de 100 milhões de relâmpagos nuvem-solo ocorrem no Brasil todo ano. Relâmpagos tem sido gerados por pequenos foguetes conectados a longos fios de cobre lançados na direcção das tempestades. Quando o foguete é lançado, o fio preso a ele é desenrolado criando um caminho condutor por onde o relâmpago, após iniciado, se propaga. Esta técnica tem permitido a medida de campos eléctricos e magnéticos bem próximos ao canal do relâmpago. Relâmpagos têm sido detectados também do espaço, durante as duas últimas décadas, através de sensores ópticos a bordo de satélites e naves espaciais. Os satélites não conseguem distinguir entre relâmpagos no solo e nas nuvens. Eles tem mostrado que cerca de 50-100 relâmpagos ocorrem a cada segundo em nosso planeta, a maior parte na região tropical (cerca de 70 %). Finalmente, naves espaciais tem mostrado que a Terra não é o único planeta onde relâmpagos ocorrem. Relâmpagos tem também sido detectados em Vénus, Júpiter e Saturno e, provavelmente, ocorrem em Urano e Neptuno.

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