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Minas Gerais / São Paulo / BRASIL -
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RAIOS / RELÂMPAGOS / TROVÕES / ATERRAMENTO
(A reprodução
deste texto está autorizada desde que a autoria seja preservada e mencionada -
Direitos Reservados: Marcus Martins - PY4SM / PY2DD)
CUIDADO! Proteja-se! As chuvas estão chegando e o BRASIL é o campeão mundial
em incidência de raios!
No verão passado o número de raios que atingiram o BRASIL foi impressionante e no próximo verão a situação não será diferente. Isso aumenta drasticamente os riscos para os usuários de rádios, telefones, televisores, eletrodomésticos, etc. Por isso estamos tratando do assunto. O aumento na incidência de relâmpagos no BRASIL durante este último verão foi vertiginoso, 150% em relação ao ano anterior. Em função disso, estudos realizados pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais têm tido maior divulgação na mídia.
Detecção de Raios (tempo real)
Previsão do Tempo
(BRASIL)
Previsão
do Tempo (MUNDO)
Na verdade somos campeões mundiais em raios!
As nuvens de tempestade têm altura entre 1,5 e 15 km, apresentando
temperaturas internas muito diferentes. Na parte inferior, a temperatura é
próxima à do ambiente (em média 20 graus centígrados), enquanto na parte mais
alta pode atingir -50 graus. Este enorme gradiente de temperatura gera ventos
muito intensos no interior das nuvens que, por sua vez, provocam a separação
de cargas elétricas devido ao atrito entre as partículas de gelo existentes no
topo. Assim, a parte inferior das nuvens contém excesso de cargas negativas,
enquanto a parte superior, positivas. Por indução, no solo há surgimento de
excesso de cargas positivas e se estabelece uma enorme diferença de potencial
entre nuvem e solo, podendo atingir milhões de volts. Uma vez vencida a
capacidade isolante do ar entre o solo e as nuvens, ocorrem de 30 a 40
descargas elétricas sucessivas de aproximadamente 0,01 segundos que constituem
um único raio.
As correntes elétricas envolvidas neste processo variam de 10.000 a 200.000
ampères, aumentando a temperatura do ar para até 30.000 graus centígrados,
provocando violenta expansão, com ondas de compressão que podem ser audíveis a
alguns quilômetros de distância (trovões). As altas correntes e temperaturas
são as responsáveis por incêndios, queimaduras e mortes nos acidentes com
raios. Quando uma pessoa é atingida diretamente por um raio, geralmente, sofre
morte instantânea por carbonização. Todavia, estes casos são raros. Na maioria
das vezes, a pessoa é atingida indiretamente por estar a uma distancia
inferior a 100 metros, podendo sofrer parada cardiorrespiratória (35% dos
casos). Centenas de pessoas sobrevivem todos os anos, após serem atingidas
indiretamente por relâmpagos, mas, infelizmente, muitas ficam com sequelas
graves (60% dos sobreviventes), como problemas cardíacos, alterações mentais e
paralisias musculares.
A melhor forma de proteção é o para-raios, que consiste de uma haste metálica
fixada num ponto elevado e aterrada por meio de um fio condutor espesso. A
região protegida por este simples dispositivo tem o formato de um cone cujo
diâmetro corresponde a duas vezes a altura do solo até o topo do para-raios.
Devido ao fato de a corrente elétrica sempre procurar escoar pelo caminho mais
curto, os raios normalmente atingem os pontos mais altos de uma região. Assim,
a crença de que raios nunca atingem duas vezes o mesmo lugar é absolutamente
falsa. Um caso curioso é o de Ray Sullivan, um guarda de parques nacional dos
EUA, que já foi atingido sete vezes! Por sorte sobreviveu a todos os
acidentes, porém com sequelas. Deve-se, portanto, evitar, durante uma
tempestade, locais altos e descampados, piscinas, praias, campos de futebol e
árvores isoladas. No Brasil, uma em cada quatro pessoas mortas por raios
estava jogando futebol.
Os usuários de piscinas correm riscos mesmo quando um raio atinge o solo a uma
distância superior a 500 metros. Isto porque parte da corrente pode escoar por
tubulações de água, percorrendo longas distâncias até a piscina. De acordo com
recomendações do National Lightning Safety Institute (NLSI), as atividades
aquáticas devem ser suspensas e as pessoas encaminhadas a abrigo seguro,
protegido por para-raios, sempre que uma tempestade estiver mais próxima que
10Km. Essa recomendação se aplica tanto para usuários de piscinas
externas como internas. Mas, foi
somente após a descoberta da eletricidade no início do século 18, que a
natureza elétrica da
atmosfera da Terra começou a ser desvendada. Em 1708,
William Wall, ao ver uma faísca sair de um pedaço de âmbar carregado
eletricamente, observou que ela era parecida com um relâmpago. Na metade do
século, após a descoberta das primeiras propriedades elétricas da matéria,
tornou-se evidente que os relâmpagos deveriam ser uma forma de eletricidade,
associada de alguma maneira com as tempestades. Benjamin Franklin foi o
primeiro a projetar um experimento para tentar provar a natureza elétrica do
relâmpago. Em julho de 1750, Franklin propôs que a eletricidade poderia ser
drenada de uma nuvem por um mastro metálico. Se o mastro fosse isolado do
solo, e um observador aproximasse do mesmo um fio aterrado, uma faísca
saltaria do mastro para o fio quando uma nuvem eletrificada estivesse perto.
Se isto ocorresse, estaria provado que as nuvens são eletricamente carregadas
e, consequentemente, que os relâmpagos também são um fenômeno elétrico. Em
maio de 1752, Thomas-François D’Alibard demonstrou que a sugestão de Franklin
estava certa e que os relâmpagos, portanto, eram um fenômeno elétrico. Em
junho de 1752, Franklin realizou outro experimento com o mesmo propósito, seu
famoso experimento com uma pipa. Ao invés de utilizar um mastro metálico, ele
usou uma pipa, desde que ela poderia alcançar maiores altitudes e poderia ser
usada em qualquer lugar. Novamente, faíscas saltaram de uma chave colocada na
extremidade do fio preso a pipa em direção a sua mão.
Também em 1752, L. G. Lemonnier repetiu o experimento de Franklin com o
mastro metálico, mas ao invés de aproximar um fio aterrado, colocou um pouco
de poeira para ver se ela seria atraída. Ele descobriu que mesmo quando não
havia nuvens, situação conhecida como condição de tempo bom, uma fraca
eletrificação existia na atmosfera. Ele também encontrou evidências de que tal
eletrificação variava da noite para o dia. Em 1775, G. Beccaria confirmou a
existência da variação diurna da eletrificação na condição de tempo bom e
determinou que a polaridade da carga elétrica na atmosfera nestas condições
era positiva e que ela mudava para negativa quando havia tempestades próximas,
em concordância com as observações de Franklin.
Em 1785, C.A. Coulomb descobriu que o ar é condutor, observando que um objeto
condutor isolado exposto ao ar gradualmente perdia sua carga. Sua descoberta,
entretanto, não foi compreendida na época, visto que os gases eram então
considerados como isolantes, e ficou completamente esquecida. Em 1804, P.
Erman, de modo a explicar as observações de Saussure, sugeriu pela primeira
vez que a Terra devia ser carregada negativamente. Em 1842, J. Peltier
confirmou esta ideia e sugeriu que a carga no ar deveria ser originária da
Terra, a qual por sua vez teria tornando-se carregada durante sua formação.
A atmosfera da Terra pode ser dividida em diferentes regiões, com base em
diferentes parâmetros. Em termos de seu perfil de temperatura, a atmosfera é
dividida a partir da superfície da Terra nas seguintes regiões:
troposfera,
estratosfera,
mesosfera e
termosfera. O limite entre a troposfera e a
estratosfera, onde a temperatura para de diminuir e começa a aumentar com a
altura é chamado de
tropopausa. O nível de temperatura máxima em torno de 50
km (cerca de 270 K) é chamado
estratopausa, e separa a estratosfera da
mesosfera. O nível de temperatura mínima em torno de 80 km (cerca de 180 K) é
chamado de mesopausa e separa a mesosfera da termosfera. O perfil de
temperatura é variável com o tempo e o local, ocasionalmente apresentando na
troposfera finas camadas dentro das quais a temperatura aumenta com a altura,
conhecidas como inversões. A altura da tropopausa também depende do tempo e do
local, em particular da latitude geográfica. Abaixo de cerca de 20 graus de
latitude ela está normalmente localizada em torno de 15-18 km, enquanto que,
perto dos polos, ela pode estar em alturas tão baixas quanto 8 km. Do ponto de
vista dos íons e da condutividade, a atmosfera pode ser dividida em: atmosfera
inferior, correspondente à troposfera, média atmosfera, correspondente a
estratosfera e mesosfera, e atmosfera superior, acima de 80 km, correspondente
à termosfera.
A atmosfera inferior e a média atmosfera são fracamente condutoras devido à
presença de pequenas concentrações de
íons. Nestas regiões, os íons são
criados pela ionização de moléculas neutras do ar, geralmente moléculas de
nitrogênio e oxigênio, por raios cósmicos primários e secundários, e por
partículas e radiação produzida pelo decaimento radioativo de substâncias no
solo, como urânio e tório, e no ar, como gás radônio. Como resultado da
ionização das moléculas, elétrons livres e íons positivos são criados. Os
elétrons são então rapidamente ligados a outras moléculas neutras produzindo
íons negativos. A produção de íons por raios cósmicos varia com a altitude e a
latitude. A produção de íons devido ao decaimento de substâncias radioativas
depende das características do solo. Em particular, nos oceanos ela é várias
ordens de magnitude menor do que nos continentes. Em geral, a razão média de
ionização (produção de pares de íons) sobre os continentes devido a
substâncias radioativas é predominante sobre aquela devida a raios cósmicos
abaixo de 1 km. Acima de 1 km, a razão de ionização é dominada por raios
cósmicos. A razão de ionização é também dependente das condições
meteorológicas e da atividade geomagnética e solar. Ocasionalmente, a
ionização criada por partículas energéticas durante períodos de alta atividade
geomagnética e solar pode dominar sobre a ionização produzida por raios
cósmicos acima de 20 km. Também o ciclo solar de 11 anos produz uma variação
na razão de ionização na atmosfera. Esta variação torna-se mais pronunciada
com o aumento da altura e com o aumento da latitude geomagnética. Após os íons
serem formados, eles reagem com as moléculas neutras e prendem-se a moléculas
de água do vapor d’água sempre existente na atmosfera, formando aglomerados de
íons. Estes aglomerados são relativamente estáveis, e constituem a maioria dos
íons de tamanho molecular, também chamados de pequenos íons. Exemplos de tais
íons são H3O+(H2O) e O2-(H2O)n. Quando pequenos íons agregam-se a partículas
de aerossóis, eles formam grandes íons. Em geral, grandes íons estão presentes
na atmosfera em menores concentrações do que os pequenos íons, exceto em
regiões com altos níveis de poluição, onde eles podem ser mais numerosos.
Durante condições estacionárias, a concentração de pequenos íons em um dado
instante e local é o resultado do balanço entre a produção (razão de
ionização) e a destruição de íons. Pequenos íons são destruídos pela
recombinação entre eles, e pela combinação com grandes íons e partículas de
aerossóis. A concentração total média de pequenos íons sobre os continentes e
sobre os oceanos é aproximadamente a mesma e da ordem de 1000 cm-3, muito
embora a razão de ionização sobre o oceano seja menor devido à ausência de
elementos radioativos. Este fato, entretanto, é compensado pela menor razão de
destruição devido à baixa concentração de aerossóis. Existem mais íons
pequenos positivos do que negativos, e a diferença é responsável pela
existência de uma carga líquida positiva na atmosfera. A existência desta
carga líquida próxima a superfície da Terra implica que um processo adicional
de íons deva existir, desde que o processo de ionização produz iguais
concentrações de íons negativos e positivos. Um destes processos é chamado
descarga pontual ou corona e está associado com largos campos elétricos que
ocorrem próximos as tempestades. À medida que o campo elétrico aumenta, o
campo ao redor de objetos pontiagudos alcança valores suficientes para a
quebra de rigidez do ar, produzindo pequenas descargas na atmosfera. Como
consequência, um largo número de íons de uma polaridade é injetado na
atmosfera. Íons de uma só polaridade podem também ser formados na atmosfera
próximos a quedas d’água (íons negativos) e por ondas nos oceanos (íons
positivos).
A presença da superfície da Terra influencia a concentração de íons, aerossóis
e partículas radioativas através da distribuição de ventos, temperatura e
vapor d’água. Tal influência é dominada pela turbulência. A camada na qual
esta influência é significativa é chamada de camada planetária ou camada
limite. A profundidade desta camada é altamente variável, indo de dezenas de
metros até 3 km acima do solo. É válido notar que a maioria das medidas
elétricas na atmosfera é feitas dentro desta camada.
Diferentemente da atmosfera inferior e da média atmosfera, na atmosfera
superior existem além dos íons negativos e positivos uma considerável
quantidade de elétrons livres produzidos pela absorção da radiação solar por
átomos e moléculas. Este processo é chamado de fotoionização. Os elétrons
podem então se unir a moléculas neutras criando íons negativos. Os elétrons e
íons criados por este processo tornam a atmosfera um razoável condutor,
formando uma região chamada ionosfera. Embora seja possível ter regiões da
ionosfera com excesso de cargas negativas ou positivas, tal excesso é muito
pequeno comparado às cargas totais de modo que a ionosfera pode ser
considerada neutra. Em geral, a densidade numérica de íons negativos na
ionosfera é negligenciável e a ionização pode ser descrita em termos da
densidade de elétrons. A densidade de elétrons na ionosfera varia
consideravelmente com a hora do dia, altitude, latitude, atividade solar e
outros efeitos locais. A maior variação da densidade de elétrons ocorre ao
longo do dia, em função da variação da radiação solar. À noite, a
fotoionização é devida a radiação solar espalhada por átomos de hidrogênio das
camadas mais externas da atmosfera e é muito menor do que de dia.
Iniciando-se na parte superior da ionosfera e estendendo-se para cima está
localizada a
magnetosfera, região onde a dinâmica das partículas é governada
pelo
campo magnético da Terra. Os íons, prótons e elétrons nesta região são
originários da ionosfera e do
vento solar, um fluxo de partículas carregadas
provenientes do sol que atinge a atmosfera da Terra na magnetopausa, o limite
superior da magnetosfera. Na parte interna da magnetosfera, partículas
carregadas são aprisionadas pelo campo magnético formando
cinturões de
radiação ao redor da Terra.
Na atmosfera inferior e média atmosfera, íons negativos e positivos movem-se
em resposta aos campos elétricos. Durante seu movimento, eles colidem com
partículas neutras, as quais atuam de modo a impedir o movimento. A facilidade
dos íons de moverem-se através das partículas neutras é descrita por um fator
denominado mobilidade, o qual depende da massa e da carga dos íons, da
densidade de partículas neutras e da temperatura.
A capacidade da atmosfera de conduzir uma corrente elétrica é expressa em
termos de sua condutividade. A condutividade na atmosfera inferior e média
atmosfera é isotrópica, sendo dada pelo produto da densidade de íons, a carga
dos íons e a mobilidade. Somente os íons pequenos contribuem para a
condutividade, desde que a mobilidade dos íons grandes é várias ordens de
grandeza menor. Na atmosfera inferior as condutividades de íons negativos e
positivos não são exatamente iguais. A condutividade na atmosfera inferior e
média atmosfera aumenta com a altitude. Esta variação é principalmente devida
ao aumento da mobilidade com a altitude, em consequência da diminuição da
densidade da atmosfera. A condutividade também varia com a latitude, devido à
variação da intensidade de raios cósmicos, e tende a ser maior em altas
latitudes. Perto da superfície da Terra, a condutividade apresenta variações
em associação com a presença de neblina ou poluição. Na atmosfera superior, a
condutividade é anisotrópica devido ao fato da mobilidade de íons e elétrons
depender da direção do campo magnético. Em 100 km de altitude, a condutividade
do ar é 11 ordens de magnitude superior àquela perto do solo e aproximadamente
igual à condutividade do solo.
A condutividade da atmosfera da origem a uma propriedade denominada tempo de
relaxação, que representa o tempo para a atmosfera blindar a carga de um
objeto imerso nela por um fator de 0.37. O tempo de relaxação, em condição de
tempo bom, é dado pela permitividade do ar dividida pela condutividade. Após
cerca de 5 vezes o tempo de relaxação, toda a carga do objeto será blindada.
Perto do solo, o tempo de relaxação é cerca de 10 minutos. À medida que a
condutividade aumenta com a altitude na atmosfera, o tempo de relaxação
diminui. Em 10 km, o tempo de relaxação é cerca de 1 minuto.
O campo elétrico de tempo bom é uma consequência da existência de uma carga na
superfície da Terra e da condutividade. Em função desta carga ser negativa, o
campo elétrico é voltado para baixo. Nos continentes, o campo elétrico médio é
cerca de 120 V/m. Este valor corresponde a uma carga superficial de - 1,2 x
10-9 C/m2. Integrada sobre a superfície da Terra, este valor resulta em uma
carga total de 600 kC. Uma carga positiva igual existe na atmosfera. É valido
notar que este campo é imperceptível em nossa vida. Isto é devido ao fato de
virtualmente todas as coisas, inclusive nosso corpo, serem condutoras
comparadas ao ar.
Assumindo um aumento exponencial da condutividade com a altitude, pode ser
mostrado que o campo elétrico diminui exponencialmente com a altitude. Em uma
altitude de 30 km, o campo elétrico é tão baixo quanto 300 mV/m. Integrando o
campo elétrico da superfície da Terra até a ionosfera resulta em uma diferença
de potencial de cerca de 200 kV.
Perto do solo o campo elétrico apresenta largas variações causadas por
movimentos turbulentos de cargas em associação com as
condições
meteorológicas. Outro mecanismo para separar cargas perto da superfície é
denominado efeito eletrodo. Devido à carga negativa da Terra, íons negativos
na atmosfera movem-se para cima. Por não serem substituídos na mesma proporção
por íons negativos gerados por fontes radioativas, forma-se uma região de
cargas positivas perto do solo. Em uma atmosfera sem aerossóis, esta região
tem uma espessura de somente uns poucos metros, na qual o campo elétrico
diminui por um fator de 2. A presença de aerossóis faz com que esta região
seja maior. Sobre a água, esta camada também é maior, devido à ausência de
íons de fontes radioativas.
O campo elétrico de tempo bom apresenta variações diurnas e sazonais. A típica
variação diurna do campo em função da hora universal foi pela primeira vez
identificada pelas medidas realizadas pelo navio Carnegie na década de 20. A
famosa curva de Carnegie é um resultado de valores médios horários do campo
elétrico tomados ao longo de muitos dias. A curva de Carnegie é muito difícil
de ser reproduzida em estações continentais devido a processos locais tais
como correntes de convecção e variações nas concentrações de aerossóis. Em
geral, flutuações nas densidades de cargas associadas com estes processos
dentro da camada planetária tem um efeito sobre o campo elétrico comparável
àquele da curva de Carnegie. Se as variações locais em estações continentais
são removidas através de médias, o campo elétrico mostra uma dependência com a
hora universal similar àquela da curva de Carnegie. O campo elétrico de tempo
bom também mostra uma variação sazonal. Muito embora a variação siga o padrão
da variação com a hora universal, existem pequenas variações no horário onde o
campo é máximo, indicando mudanças na longitude de máxima atividade de
tempestades. O campo elétrico médio também apresenta variações sazonais com
valores máximos na primavera e no verão no hemisfério norte, indicando que
existem mais tempestades nestas estações no hemisfério norte do que nestas
mesmas estações no hemisfério sul. Isto, por sua vez, é resultado do fato de
existir mais terra no hemisfério norte.
Em resposta à existência de um campo elétrico vertical orientado para baixo e
à presença de íons negativos e positivos, uma densidade de corrente orientada
para baixo, denominada de densidade decorrente de Maxwell, está constantemente
fluindo na atmosfera nas regiões de tempo bom. Acima da camada planetária, a
densidade de corrente é basicamente uma densidade de corrente de condução. Ela
é aproximadamente constante com a altitude e da ordem de 2 x 10-12 A/m2. Na
camada planetária, entretanto, a densidade de corrente apresenta variações em
associação com as condições meteorológicas, as quais produzem transporte de
cargas que podem ser representados por uma densidade corrente de convecção.
Medidas de densidade de corrente na atmosfera também incluem a contribuição da
densidade de corrente de deslocamento, associada com variações temporais do
campo elétrico. A densidade de corrente de condução em condições de tempo bom
apresenta também a mesma variação diurna que o campo elétrico.
A diminuição do campo elétrico de tempo bom com a altura deve ser
necessariamente acompanhada pela presença de cargas na atmosfera. Se não
existem fontes de carga na atmosfera, esta variação é um efeito direto da
variação da condutividade com a altura. Se a condutividade fosse uniforme,
cargas não se acumulariam na atmosfera e o campo elétrico seria uniforme.
Quase toda carga na atmosfera está abaixo de 30 km. Integrando a densidade de
carga na atmosfera da superfície até a ionosfera (ou, em termos práticos 30
km), uma carga total de cerca de 600 kC é obtida. A carga na superfície da
Terra é também de 600 kC de modo a compensar esta carga na atmosfera.
Na atmosfera, em condições de tempo, bom uma densidade de corrente constante
está sempre presente. Em consequência, se não existisse uma fonte contínua de
carga, após certo tempo toda carga na atmosfera fluiria para a superfície da
Terra cancelando sua carga, de modo que não existiria um campo elétrico na
atmosfera. Este tempo foi calculado como sendo muito menor do que uma hora.
Portanto, a existência de um campo elétrico em condições de tempo bom, ou em
outras palavras, de uma densidade de corrente constante, implica que uma fonte
de cargas contínua deve existir.
A origem da densidade de corrente na atmosfera, a qual está sempre presente e
pode ser observada em qualquer lugar, foi conhecida no início do século 20
como o problema fundamental da eletricidade atmosférica. A primeira tentativa
para resolver este problema foi sugerida por C.T.R. Wilson em 1920. Wilson
estabeleceu a hipótese, conhecida como teoria do capacitor esférico, de que a
superfície da Terra e uma superfície equipotencial em alguma altitude deveriam
se comportar como placas de um capacitor esférico. A camada equipotencial foi
primeiramente chamada de
eletrosfera e foi suposta estar localizada entre 40 e
60 km. Mais tarde, ela foi considerada ser coincidente com a ionosfera. Este
capacitor esférico é carregado até uma diferença de potencial de 200 kV. As
cargas entre as placas estariam se movendo rumo ao solo, constituindo uma
corrente de fuga. Esta corrente pode ser calculada multiplicando a densidade
de corrente em condições de tempo bom pela área da superfície da Terra. Isto
resulta em uma corrente total de descarga do capacitor de cerca de 1000 Amperes. De
modo a manter o capacitor esférico carregado, a atividade de tempestades em
todo o mundo foi suposta atuar como um gerador de corrente, separando cargas e
causando o transporte de cargas positivas da Terra para a ionosfera na mesma
razão de 1000 Amperes.
Considerando que existe algo em torno de 1000 tempestades sempre ocorrendo,
cada tempestade geraria algo em torno de 1 Amperes. Se esta teoria estiver correta,
deve existir uma relação entre a atividade global de tempestades (a
intensidade do gerador) e o campo elétrico em condições de tempo bom. A
similaridade entre a variação diurna da atividade global de tempestades e a
curva de Carnegie, com valores máximos e mínimos aproximadamente nas mesmas
horas universais, foi usada para atribuir a variação diurna do campo elétrico
à atividade global de tempestades, sendo o mais forte argumento em favor da
teoria do capacitor esférico. As amplitudes de ambas as variações diurnas,
entretanto, são diferentes. A amplitude da variação da atividade de
tempestades é cerca de duas vezes maior que a variação diurna do campo
elétrico. Esta diferença em amplitudes é provavelmente devida à variabilidade
das tempestades. A variação diurna da atividade de tempestades tem sido
verificada também através de medidas da radiação produzida pelos relâmpagos,
conhecida como atmosférics ou sférics. A teoria do capacitor esférico pode
também ser vista como um grande circuito elétrico incluindo a superfície da
Terra, a ionosfera e a atmosfera junto com as tempestades. Este circuito é
geralmente conhecido como circuito elétrico atmosférico global. A teoria é do
tipo quase estática, onde o campo elétrico atmosférico deve ser considerado
como um campo estacionário (e não estático), resultante do equilíbrio entre o
processo de geração de cargas pelas tempestades e o processo de aniquilação de
cargas nas regiões em condições de tempo bom. Ela pode ser aplicada às
variações com períodos maiores do que 10 minutos, o qual corresponde ao maior
tempo de relaxação do circuito e que ocorre perto do solo.
A teoria do capacitor esférico para o circuito elétrico atmosférico global,
entretanto, tem várias limitações. Embora a condutividade da ionosfera seja
bastante alta, ela aumenta sistematicamente com a altitude, de modo que não
existe uma camada equipotencial. Uma versão eletrostática mais completa do
circuito elétrico atmosférico global tem sido proposta sem considerar a
existência de uma camada equipotencial superior. Tal fato torna possível a
influência dos campos elétricos ionosféricos e magnetosféricos sobre a
atmosfera inferior, principalmente perto das regiões polares. Variações
temporais no circuito global são, entretanto, predominantemente associadas com
variações das tempestades, principalmente longe das regiões polares. Tais
variações podem estar relacionadas a variações no número total de tempestades
ou variações em suas características. Variações temporais no circuito global
podem também estar associadas a variações no vento solar, através de sua
modulação da intensidade da radiação cósmica. Variações no fluxo de raios
cósmicos alcançando a atmosfera podem causar uma considerável mudança na
resistividade elétrica da atmosfera acima das tempestades, produzindo
sensíveis variações no circuito. O circuito global também apresenta variações
anuais e semianuais, em resposta às assimetrias nas áreas com continentes e
oceanos e as variações semianuais da temperatura do ar nos trópicos, que
apresentam máximos valores nos equinócios quando o sol esta centrado sobre o
equador.
Perto das tempestades, outras fontes de corrente podem existir, tais como
descargas pontuais, precipitação e relâmpagos. Devido à complexidade em se
modelar as tempestades, a importância relativa de tais correntes, como
geradoras para o circuito global permanecem em estudo. Recentes investigações,
entretanto, têm indicado que descargas pontuais e não os relâmpagos podem ser
o principal processo responsável pela carga negativa superficial da Terra.
Finalmente, é possível que outros geradores não associados com as tempestades
possam ter um papel significante no circuito global. Outras nuvens
eletrificadas, além das de tempestade, são um possível candidato. Entretanto,
devido à falta de um conhecimento mais preciso da estrutura elétrica destas
nuvens, sua importância permanece indefinida.
A descarga atmosférica, popularmente conhecida como raio, faísca ou corisco, é
um fenômeno natural que ocorre em todas as regiões da terra. Na região
tropical do planeta, onde está localizado o Brasil, os raios ocorrem
geralmente junto com as chuvas. O raio é um tipo de eletricidade natural e
quando ocorre uma descarga atmosférica temos um fenômeno de rara beleza,
apesar dos perigos e acidentes que o mesmo pode provocar.
O raio é identificado por duas características principais:
1 - O Trovão, que é o som provocado pela expansão do ar aquecido pelo raio;
2 - O relâmpago, que é a intensa luminosidade que aparece no caminho por onde o
raio passou.
Os raios ocorrem porque as nuvens se carregam eletricamente. É como se
tivéssemos uma grande bateria com um polo ligado na nuvem e outro polo ligado
na terra. A “voltagem” desta bateria fica aplicada entre a nuvem e a terra. Se
ligarmos um fio entre a nuvem e a terra daremos um curto-circuito na bateria e
passará uma grande corrente elétrica pelo fio. O raio é este fio que liga a
nuvem a terra. Em condições normais, o ar é um bom isolante de eletricidade.
Quando temos uma nuvem carregada, o ar entre a nuvem e a terra começa a
conduzir eletricidade porque a “voltagem” existente entre a nuvem e a terra é
muito alta: vários milhões de volts (a “voltagem” das tomadas é de 110 ou 220
volts). O raio provoca o curto-circuito da nuvem para a terra e pelo caminho
formado pelo raio passa uma corrente elétrica de milhares de ampères. Um raio
fraco tem corrente de cerca de 2.000 A, um raio médio de 30.000 A e os raios
mais fortes tem correntes de mais de 100.000 A (um chuveiro tem corrente de 30
A). Apesar das correntes dos raios serem muito elevadas, elas circulam durante
um tempo muito curto (geralmente o raio dura menos de um segundo).Os raios
podem sair da nuvem para a terra, da terra para a nuvem ou então sair da nuvem
e da terra e se encontrar no meio do caminho. No mundo todo ocorrem cerca de
360.000 raios por hora (100 raios por segundo). O Brasil é um dos países do
mundo onde caem mais raios. No estado de Minas Gerais, onde foram feitas
medições precisas do número de raios que caem na terra, temos perto de 8 raios
por quilômetro quadrado por ano. Muitos raios ocorrem dentro das nuvens.
Geralmente este tipo de raio não oferece perigo para quem está na terra, no
entanto ele cria perigo para os aviões. Os raios caem nos pontos mais altos
porque eles sempre procuram achar o menor caminho entre a nuvem e a terra.
Árvores altas, torres, antenas de televisão, torres de igreja e edifícios são
pontos preferidos pelas descargas atmosféricas.
Um relâmpago é uma corrente elétrica muito intensa que ocorre na atmosfera com
típica duração de meio segundo e típica trajetória com comprimento de 5-10
quilômetros. Ele é consequência do rápido movimento de elétrons de um lugar
para outro. Os elétrons movem-se tão rápido que eles fazem o ar ao seu redor
iluminar-se, resultando em um clarão, e aquecer-se, resultando em um som
(trovão). Um relâmpago é tipicamente associado a nuvens cumulonimbus ou de
tempestade, embora possa ocorrer em associação com vulcões ativos, 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 elétrico tanto dentro da nuvem
como entre a nuvem e o solo.
Quando este campo, eventualmente, quebra a resistência elétrica 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 cumulonimbus, normalmente na região onde gotículas de água
transformam-se em gelo, e propagam-se dentro da nuvem (relâmpagos intranuvem)
ou fora da nuvem, rumo à outra nuvem (relâmpagos nuvem-nuvem) ou numa direção
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 cumulonimbus
(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 direção às 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 permanece 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 identificá-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 cumulonimbus. Ela é causada por um intenso campo elétrico 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 elétrons 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 elétrico estabelecido entre a nuvem e o solo, as
cargas negativas (elétrons) então se movem em etapas de dezenas de metros de
comprimento chamadas etapas do líder. Cada etapa tem uma duração típica de 1
microssegundo, com uma pausa entre elas de 50 microssegundos. Após alguns
milissegundos, o líder escalonado surge da base da nuvem, movendo-se em
direção ao solo. Ao longo do movimento, algumas cargas seguem novos caminhos
devido à 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
microssegundo, praticamente não havendo luminosidade durante as pausas. À
medida que as cargas do líder propagam-se ao longo do canal rumo ao solo,
variações de campo elétrico 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 elétrica contida no canal produz um campo elétrico intenso entre a extremidade do líder e o solo, correspondente a um potencial elétrico 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 objetos mais altos. A distância entre o objeto a ser atingido e a extremidade do líder no instante em que o líder conectante sai do solo é chamada distância de atração. A distância de atração 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 atração. 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 direção 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 íons após serem excitados e ionizados pela onda e move-se para
cima devido ao fato de que os primeiros elétrons a mover-se para baixo em
direção ao solo são aqueles mais próximos ao solo. À medida que elétrons 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 se conectam 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 elétrons 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 elétricos 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 refletido 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 eletromagnética total irradiada é cerca de dez vezes maior do que
aquela no espectro ótico. 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 elétrons de 1020
elétrons 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 supersônica e, em distâncias maiores, uma onda sonora intensa que se
afasta do canal em todas as direções. 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 direções. 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 à 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 infrassônico e acredita-se estar associada
com mudanças na energia eletrostática 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 quilômetros. 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
quilômetros de distância pode produzir um trovão após três segundos, indicando
que uma ramificação está somente a um quilômetro de distância. Se você
enxergar o clarão e não escutar o trovão, o relâmpago provavelmente esta a
mais de 20 quilômetros 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 elétrico 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 elétrico 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 direção 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 à 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 subsequente também leva menos tempo para alcançar seu
pico (cerca de 1 microssegundo) 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 às 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 milissegundos 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 elétrico
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 milissegundo seguindo um momentâneo aumento
de corrente, um processo denominado de componente M. O termo variação M é
usado para denotar a variação de campo elétrico 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 (elétrons). A descarga de retorno resultante efetivamente 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
elétrica 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, afetando a concentração de
importantes elementos com o ozônio, bem como se misturam com a chuva e se
precipitam como fertilizantes naturais. Relâmpagos exercem um papel em manter
o campo elétrico 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 fenômenos transientes na atmosfera superior, conhecidos
como sprites, jatos azuis e elves. Estes fenômenos 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 direção de tempestades centenas de
quilômetros distantes. Relâmpagos também exercem um papel significativo na
manutenção do equilíbrio entre ondas e partículas na ionosfera e magnetosfera,
atuando 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 direção 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 elétricos e magnéticos bem próximos ao canal do
relâmpago. Relâmpagos têm sido detectados também do espaço, durante as duas
últimas décadas, através de sensores óticos 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 Vênus,
Júpiter e Saturno e, provavelmente, ocorrem em Urano e Netuno. Os raios são
perigosos? Sim. Os raios trazem
uma série de riscos para as pessoas, animais, equipamentos e instalações.
Mesmo antes de um raio cair já existe perigo. Antes de cair um raio, as nuvens
estão “carregadas de eletricidade” e, se por baixo da nuvem tivermos, por
exemplo, uma cerca muito comprida, os fios da cerca também ficarão “carregados
com eletricidade”. Se uma pessoa ou animal tocar na cerca irá tomar um choque
elétrico, que em alguns casos poderá ser fatal.
O choque elétrico ocorre quando uma corrente elétrica circula pelo corpo de
uma pessoa ou animal. Dependendo da intensidade da corrente e do tempo em que
a mesma circula pelo corpo, poderão ocorrer consequências diversas:
formigamento, dor, contrações violentas, queimaduras e morte. Se um raio cair
diretamente sobre uma pessoa ou animal, dificilmente haverá salvação.
No caso da cerca, os arames conduzirão parte da corrente do raio e ficarão
eletrificados. No caso de uma casa, os canos metálicos de água, os fios da
instalação elétrica e as ferragens das lajes e colunas irão conduzir parte da
corrente do raio e ficarão também “carregados de eletricidade”. Uma pessoa ou
animal que esteja em contato ou até mesmo perto destas partes metálicas poderá
tomar um choque violento.
Mesmo no caso de um raio cair sobre uma estrutura que não tenha metais, como
por exemplo, uma árvore, uma pessoa perto desta árvore poderá tomar um choque.
Os valores das voltagens e correntes envolvidas no raio são tão grandes que
ele faz a árvore se comportar como um condutor de eletricidade.
Os equipamentos elétricos e telefônicos sofrem muito com os raios. Estes
equipamentos são projetados para trabalhar com uma “voltagem” especificada.
Quando um raio cai perto ou sobre as redes telefônicas, redes elétricas e
antenas, ele provoca o aparecimento de “voltagens” elevadas nos equipamentos,
muito acima do valor para o qual eles foram projetados e geralmente ocorre sua
queima.
Os raios podem provocar danos mecânicos, como por exemplo, derrubar árvores ou
até mesmo arrancar tijolos e telhas de uma casa.
Relâmpagos podem ser perigosos. Quando relâmpagos estão caindo próximo, você
esta sujeito a ser atingido diretamente por eles. A chance de uma pessoa ser
atingida por um relâmpago é algo em torno de 1 para 1 milhão. Entretanto, a
maioria das mortes e ferimentos não são devido à incidência direta e sim a
efeitos indiretos associados a incidências próximas ou efeitos secundários dos
relâmpagos. Os efeitos indiretos incluem tensões induzidas, sobretensões,
tensões de toque e de passo. Tensões induzidas são produzidas em pontos no
solo próximos ao local da queda do relâmpago quando o líder escalonado
aproxima-se do solo. A tensão induzida sobre uma pessoa pode causar a
ocorrência de uma descarga para cima a partir da cabeça da pessoa, o que pode
algumas vezes resultar em sua morte. Sobretensões são causadas pôr diferenças
de tensão entre o objeto percorrido pela corrente da descarga e objetos
próximos, resultando em descargas laterais. Tais descargas laterais são comum
de ocorrer a partir de arvores próximas ou de uma pessoa que é atingida
diretamente por uma descarga. Tensões de toque e de passo referem-se a
diferenças de tensões induzidas por descargas próximas ao longo da direção
vertical e ao longo do solo ou de superfícies horizontais, respectivamente.
Estas tensões estão normalmente presentes entre diferentes pontos de um
condutor ou pontos de diferentes condutores na vizinhança do local de queda de
uma descarga. Os efeitos secundários estão normalmente associados com
incêndios ou queda de linhas de energia induzidos por descargas.
A corrente do relâmpago pode causar sérias queimaduras e outros danos ao
coração, pulmões, sistema nervoso central e outras partes do corpo, através de
aquecimento e uma variedade de reações eletroquímicas. A extensão dos danos
depende sobre a intensidade da corrente, as partes do corpo afetadas, as
condições físicas da vítima, e as condições específicas do incidente. Cerca de
20 a 30 % das vítimas de relâmpagos morrem, a maioria delas por parada
cardíaca e respiratória, e cerca de 70 % dos sobreviventes sofrem por um longo
tempo de sérias sequelas psicológicas e orgânicas. As sequelas mais comuns são
diminuição ou perda de memória, diminuição da capacidade de concentração e
distúrbios do sono. No Brasil é estimado que cerca de 100 pessoas morrem por
ano atingidas por relâmpagos.
De modo a evitar os acidentes descritos acima, as regras de proteção pessoal
listadas abaixo devem ser seguidas. Se possível, não saia para a rua ou não
permaneça na rua durante tempestades, a não ser que seja absolutamente
necessário.
Nestes casos, procure abrigo nos seguintes lugares:
a) carros não conversíveis, ônibus ou outros veículos metálicos não
conversíveis;
b) em moradias ou prédios que possuem proteção contra relâmpagos;
c) em abrigos subterrâneos, tais como metros ou túneis;
d) em grandes construções com estruturas metálicas;
e) em barcos ou navios metálicos fechados;
f) em desfiladeiros ou vales.
Se estiver dentro de casa:
1) Não use o telefone;
2) Não fique próximo de tomadas, canos, janelas e portas metálicas;
3) Não toque em qualquer equipamento elétrico ligado a rede elétrica.
Se estiver na rua:
I) Não segure objetos metálicos longos, tais como varas de pesca, tripés e tacos
de golfe;
II) Não empine pipas e aeromodelos com fio;
III) Não ande a cavalo;
IV) Não entre em piscinas, rios, mar - não ande pelas enxuradas;
V) Não fique em grupos de pessoas - afaste-se das aglomerações.
Se possível, evite os seguintes lugares que possam oferecer pouca ou nenhuma
proteção contra relâmpagos:
- Não fique em pequenas construções não protegidas, tais como celeiros, tendas ou barracos;
- Não fique em veículos sem capota, tais como tratores, motocicletas ou bicicletas;
- Não estacione próximo a arvores ou linhas de energia elétrica.
Se possível, evite também certos locais que são extremamente perigosos durante
uma tempestade, tais como:
_ Não fique em topos de morros ou cordilheiras;
_ Não fique em topos de prédios;
_ Não fique em áreas abertas, campos de futebol ou golfe;
_ Não fique em estacionamentos abertos e quadras de tênis;
_ Não fique proximo de cercas de arame, varais metálicos, linhas aéreas e trilhos;
_ Não fique proximo de árvores isoladas;
_ Não fique proximo a estruturas altas, tais como torres, linhas telefônicas e linhas de energia
elétrica.
Se você estiver em um local sem um abrigo próximo e sentir seus pêlos
arrepiados ou sua pele coçar (isto indica que um relâmpago esta prestes a
cair), ajoelhe-se e curve-se para frente, colocando suas mãos nos joelhos e
sua cabeça entre eles. Não se deite no chão!
De acordo com as previsões divulgadas pelos Centros de
Meteorologia Brasileiros, durante o verão é que temos os maiores índices de
chuvas com atmosfera bastante carregada devido ao calor... E isto nos faz
lembrar que as primeiras tempestades vêm trazendo um pavoroso inimigo dos
radioamadores: os raios!
Céu encoberto, nuvens escuras, horizonte amedrontador, dia que escurece antes
do que deve, ventos fortes, clarões... Está se aproximando mais uma
tempestade! Pelo alto-falante do nosso receptor podemos perceber que a
estática estala como chicotadas e é com ela que começam nossos problemas.
É exatamente essa eletricidade estática provocada pela ionização do ar e que
antecede as tempestades, a causa de grandes dores de cabeça, pois pode causar
a queima de componentes em receptores de
Rádio, TV e outros aparelhos
diversos... Para prevenir, ou pelo menos, atenuar seus efeitos, é necessário
proporcionar um “caminho” para que a eletricidade estática circule, dotando
seu equipamento e principalmente o
sistema de antena, de um perfeito
aterramento. O aterramento ideal consiste em fazer uma conexão de terra com um
mínimo de resistência e impedância, aos diversos elementos da estação: a torre
ou mastro, a malha do coaxial da antena, os equipamentos, etc.
Poderemos encarar de duas maneiras a obtenção de um bom terra:
Se o objetivo for conseguir uma proteção efetiva contra os raios, a coisa se
torna muito mais séria. Uma descarga atmosférica deste tipo é capaz de gerar
tensões muito elevadas e correntes de milhares de ampères... Por isso, para
escoamento das mesmas, são necessários cabos metálicos de grande calibre e
resistência. Aliás, existem normas técnicas rigorosas que definem as
características das instalações destinadas à proteção contra raios, as quais
são elaboradas pela ABNT.
Sem dúvida, não é deste aspecto que vamos tratar neste momento, mas sim das
providências mais simples, ao alcance de qualquer radioamador, a fim de
reduzir a perturbação provocada pela eletricidade estática em suas operações e
também na proteção de seus equipamentos contra surtos que não são das
descargas diretas, ou raios.
A primeira questão é exatamente onde obter uma ligação à terra ou como se diz
no linguajar comum “um bom fio terra”. Sabemos que nem sempre é fácil
obter-se um terra ideal. Antigamente, quando se falava em ligação à terra,
pensava-se imediatamente em um cano de água... Nos dias de hoje com a
predominância dos tubos plásticos a tubulação de água revela-se completamente
isolada da terra. Assim, somente será válido obter-se o terra na tubulação de
água se esta for totalmente metálica.
JAMAIS use a tubulação de gás!
JAMAIS use os cabos do para-raios!
DESCONECTE a antena, deixando seu equipamento livre de qualquer contato com a
mesma.
Para aqueles que têm a felicidade de morar em uma casa, as facilidades são
muitas se compararmos aos que residem em prédios de apartamentos. Vivendo em
uma casa é possível, inclusive, instalar as hastes de aterramento. Para os que
vivem em prédios, há algumas opções:
1) complexo de vergalhões de ferro embutidos no concreto;
2) rede de eletrodos e conduítes da instalação elétrica;
3) rede de água potável;
4) rede de esgotos primários;
5) rede de esgotos secundários;
6) rede de esgotos de águas pluviais.
ATENÇÃO: É evidente que todas estas redes deverão, obrigatoriamente, ser
compostas de tubos metálicos!
Porém o terra mais satisfatório é aquele proporcionado pelas hastes de
aterramento (estacas metálicas) cravadas no solo e interligadas entre si. Nas
instalações profissionais as hastes de aterramento são maciças, feitas de aço
encamisado com cobre e, por isso mesmo de custo bastante elevado. É possível
encontrar-se hastes confeccionadas em ferro galvanizado e, portanto bem mais
econômicas. Pode ainda ser usado tubo galvanizado de 1,5 polegadas, devendo
ser enterrado, no mínimo, 2 metros.
A verdade é que podemos reduzir bastante os ruídos da eletricidade estática e
proteger nossos equipamentos contra surtos e transientes mediante os recursos
mencionados neste artigo. Quanto à proteção efetiva contra os raios deverá ser
proporcionada, antes de qualquer coisa, por um para-raios instalado na casa ou
prédio onde esteja o “shack”, sendo que o mais eficiente é o para-raios
radioativo.
Finalmente acreditamos que a melhor proteção contra raios e eletricidade
estática é mesmo desligar todos os aparelhos e antenas durante as
tempestades!
E já que falamos em chuvas, vale a pena lembrar alguns cuidados recomendados
pela Defesa Civil:
1-
Não acumular lixo em encostas, morros, rios e canais;
2-
Não jogar lixo ou entulho nas ruas, evitando o entupimento de bueiros e
galerias em caso de chuvas;
3- As pessoas que moram em áreas de risco devem procurar um local seguro
caso ocorram chuvas fortes;
4-
Não desmatar as encostas e morros;
5-
Durante uma tempestade, não parar ou estacionar próximo a árvores,
muros altos ou
marquises;
6-
Nas áreas de inundação, evite o tráfego;
7-
Em caso de emergência procure a Defesa Civil. Telefone: 199
São muito preocupantes os problemas que as chuvas trazem...
Com elas a chegada das tempestades e consequentemente dos raios;
motivos de sobra para fazer cair os cabelos de qualquer um de nós que
possuímos equipamentos eletrônicos seja um simples televisor ou uma
sofisticada estação de rádio. Sabemos que o assunto interessa muito aos
radioamadores e ao povo em geral e vamos tratar de como podemos proteger
nossos equipamentos de forma efetiva, racional e econômica.
Vamos procurar desenvolver o tema e trazer mais alguns conselhos; falaremos
mais sobre a estação do radioamador, porém muitos conselhos se apliquem também
a qualquer equipamento que permaneça conectado a uma tomada de luz ou a uma
antena externa. Todas as vezes que as imediações de uma estação de radioamador
é atingida por uma descarga elétrica (um raio), poderão resultar danos aos
equipamentos, caso não sejam adotadas as precauções adequadas. Este artigo tem
por objetivo transmitir ao radioamador, em linguajar fácil, algumas
informações básicas relativas à como se precaver, evitando grandes prejuízos.
Qualquer instalação elétrica está sujeita aos danos provocados pelas descargas
atmosféricas; uma antena coletiva de TV, uma antena parabólica, um
videocassete, o seu aparelho de fax, as repetidoras de V e UHF... E muito mais
uma estação de radioamador. Todas formam as chamadas instalações elétricas e
que podem ser danificadas por 3 caminhos: pelas antenas, pela rede de
alimentação elétrica e pela linha telefônica.
As descargas elétricas diretas são as responsáveis pelos danos mais graves sendo, porém muito raro que aconteçam em áreas urbanas devido à presença de inúmeros para-raios, redes de alta tensão, etc. Os danos mais comuns são causados por “pulso magnético”, devido à indução elétrica de descarga ocorrida nas redondezas, mesmo quando o raio é atraído por um para-raios. Nos equipamentos mais antigos e equipados com válvulas os danos são menores, pois esses equipamentos são menos susceptíveis devido à inércia térmica das válvulas; o mesmo não acontece aos mais modernos e equipados com componentes de estado sólido. A fim de nos protegermos contra os raios, devemos identificar e separar as estações de rádio operadas manualmente (fixas ou móveis) e as estações automáticas (repetidoras, BBS de Packet, etc.).
Para
proteger uma “estação manual” é mais fácil e podemos dar a elas uma total
proteção contra os raios; basta que nos acostumemos
a ligar(conectar)
os cabos das
antenas ao equipamento, as chaves “triplas ou duplas de faca” de alimentação
de energia elétrica do shack e os fios do FAX à linha telefônica,
SOMENTE
QUANDO FORMOS OPERAR A ESTAÇÃO!
Muitas antenas possuem elemento ativo aterrado (gama-match) normalmente as
antenas direcionais; estas oferecem alguma proteção se comparadas com outros
tipos menos sofisticados (dipolos por exemplo); nestas a descarga só
encontrará caminho para a terra através do seu equipamento. No caso do V e UHF
também há uma diferença entre as antenas e sua susceptibilidade em relação às
descargas. Nestas bandas é comum a existência de estações automáticas (BBS e
repetidoras), existindo vários meios de protegê-las e que poderão ser usados
também nas “estações manuais” visando maior segurança e comodidade ao
operador. No caso das estações automáticas veremos inicialmente as descargas
recebidas pelas antenas. É evidente que neste tipo de estação fica impossível
desligar os cabos quando notamos a aproximação de uma tempestade... Por isso
as proteções devem fazer parte da estação, montadas permanentemente no
equipamento.
Em U e VHF também existem antenas que devido às suas características, oferecem
mais segurança que outras, sendo, portanto mais recomendáveis já que possuem
elementos irradiantes aterrados nas frequências mais baixas. Entre elas
citaremos a antena RINGO cuja alimentação se faz através de uma derivação
ajustável do transformador de impedância circular aterrada. Assim também as
colineares verticais com seus elementos J aterrados, alimentadas em paralelo.
Nas antenas citadas a descarga elétrica encontra caminho mais fácil à terra
através da própria antena. Nestes casos, embora a antena fique possivelmente
danificada, o equipamento poderá continuar intacto... Caso queira aumentar a
segurança dos equipamentos podemos ligar em paralelo com o coaxial (linha de
transmissão) uma câmara centelhadora de gás, de alta corrente de pico e alta
velocidade de ionização. Este componente se tornará condutor sob efeito de
tensão elevada durante alguns milissegundos.
Como sistemas preventivos para as “descargas elétricas diretas” podemos citar
os dissipadores de ponta (similares aos usados nos aviões) e os para-raios
radioativos que emitem continuamente partículas ALFA e BETA e raios GAMA
ionizando assim o ambiente. Sua proteção contra a queda de raios se faz por 3
maneiras que são as seguintes;
1o. - fluxo contínuo de íons que tenderá a reduzir a carga atmosférica;
2o. - redução do gradiente de tensão entre a antena e a atmosfera;
3o. - a massa ionizada funciona como uma gaiola de faraday protegendo a área.
Através da rede elétrica atingida por raios entram a maior quantidade das
descargas que danificam nossos equipamentos, principalmente nossas estações
automáticas...
Outras proteções poderão ser usadas, por exemplo: câmaras de alta velocidade
de ionização para os condutores não aterrados da rede; fusíveis tipo cartucho;
bom aterramento para o condutor neutro da rede; transformador de separação de
grande espaçamento antes da fonte de alimentação com lado de enrolamento
secundário bem aterrado. Estes transformadores são conhecidos como
Transformadores de Balizamento.
Nas estações manuais, obviamente, nada impede que alguns dos dispositivos
usados nas repetidoras sejam aplicados para melhor proteção aos equipamentos
ou para evitar que o operador desligue a estação.
Porém, a melhor proteção é desligar tudo!
Tempestades são caracterizadas por relâmpagos e trovões. Elas são produzidas
por uma ou mais nuvens cumulonimbus (Cb), também conhecidas como nuvens de
tempestade. Uma típica nuvem de tempestade tem um diâmetro de 10-20 km,
alcança altitudes de 10-20 km, dura em média 30-90 minutos e move-se com uma
velocidade de 40-50 km/h. Normalmente elas podem ser identificadas por seu
largo e brilhante topo esbranquiçado, que se projeta na direção dos ventos
formando uma saliência denominada anvil. Cerca de 2000 tempestades estão
sempre ocorrendo, o que significa que 16 milhões ocorrem anualmente em nosso
planeta. A frequência de tempestades em um dado local depende de vários
fatores, entre eles a topografia, a latitude, a proximidade de massas de água
e a continentalidade. Uma pequena percentagem das tempestades que ocorrem todo
ano são consideradas tempestades severas, isto é, produzem ao menos uma das
seguintes características: granizo com diâmetro igual ou maior que 2 cm,
ventos de ao menos 90 km/h ou tornados. Um tornado é uma coluna de ar girando
violentamente que se estende da base da nuvem até o solo. Tempestades severas
também costumam produzir ventos de alta intensidade conhecidos como rajadas e
microrajadas, que são rajadas de curta duração e que afetam regiões menores
que 4 km de extensão.
Nuvens de tempestade são formadas sempre que existir bastante movimento
vertical, instabilidade vertical e umidade, de modo a produzir uma nuvem que
alcance altitudes com temperaturas abaixo do nível de congelamento. Estas
condições são mais frequentemente encontradas no verão e durante a tarde e
início da noite, mas podem ser encontradas em todas as estações e em todas as
horas do dia. O movimento vertical pode ser causado por um gradiente no perfil
de temperatura ou por processos de levantamento, tais como as brisas ao longo
das costas, frentes frias ou quentes, áreas de baixa pressão com convergência
horizontal de ventos e montanhas. No primeiro caso, o ar mais quente (mais
leve) próximo a superfície da terra tende a deslocar-se para cima trocando de
posição com o ar mais frio (mais pesado) nos níveis mais altos, que tende a
deslocar-se para baixo. Tempestades formadas por este processo são geralmente
chamadas tempestades associadas a massas de ar. Elas tendem a ser menos
severas do que os outros tipos de tempestades, embora sejam ainda capazes de
produzir rajadas. No processo de levantamento, o ar próximo a superfície da
terra é empurrado para cima por outra massa de ar ou ao se chocar com uma
montanha. Algumas vezes mais de um processo de levantamento pode ocorrer
simultaneamente.
Quando o ar sobe na atmosfera o suficiente para atingir seu ponto de
saturação, a umidade condensa formando partículas de água, e posteriormente,
partículas de água super-resfriada (isto é, partículas de água em temperaturas
abaixo do ponto de congelamento) e partículas de gelo, formando a nuvem de
tempestade. Quando o vapor de água muda de fase para líquido ou gelo, calor
latente é liberado auxiliando no desenvolvimento da nuvem. Estas partículas
colidem e combinam-se entre si, formando as gotas de chuva, neve e granizo.
Quando as partículas tornam-se pesadas, o movimento de queda supera as
correntes de ar ascendentes e a precipitação ocorre. Outra importante
propriedade comum a todas as nuvens de tempestade é a inserção de ar
proveniente do meio ambiente através dos contornos da nuvem, diluindo o ar
dentro da nuvem. Esta propriedade é denominada arrastamento.
Nuvens de tempestade podem ocorrer sozinhas, em linhas ou em aglomerados. Uma
nuvem de tempestade sozinha ou isolada pode ser formada por uma única célula,
por várias células (multicelular) ou por uma supercélula. Enquanto que uma
tempestade isolada, formada por uma única célula, dura normalmente menos de
uma hora, tempestades isoladas multicelulares ou supercelulares, bem como
tempestades em linhas ou em aglomerados, podem afetar uma região por várias
horas. Uma nuvem de tempestade multicelular consiste de várias células
adjacentes umas as outras e em vários estágios de desenvolvimento. As células
interagem entre si de tal modo que as correntes de ar descendentes de uma
célula em dissipação pode intensificar as correntes de ar ascendentes de uma
célula adjacente. A maioria das nuvens de tempestade tem mais de uma célula,
isto é, são multicelulares. Diferentemente de uma tempestade formada por uma
única célula, nuvens de tempestade multicelulares podem, algumas vezes,
tornarem-se tempestades severas. Nuvens de tempestade do tipo supercelulares
são consideradas as maiores nuvens de tempestade. Elas são basicamente uma
célula gigante, caracterizada por uma persistente corrente de ar ascendente
com forte movimento giratório. Sua existência está relacionada ao perfil
vertical de cisalhamento do vento e a instabilidade da atmosfera. Elas são
frequentemente classificadas como tempestades severas, sendo responsáveis pela
maioria dos largos tornados ou tempestades de granizo. Entretanto, nem toda
nuvem de tempestade do tipo supercélula produz tornados. Nuvens de tempestade
do tipo supercelulares são eletricamente mais ativas do que as nuvens de
tempestades isoladas ou multicelulares. Existem vários fatores que influenciam
a severidade de uma nuvem de tempestade do tipo supercélula. Os principais
fatores são a intensidade das correntes de ar ascendentes e a velocidade dos
ventos nos níveis superiores.
Aglomerados de tempestades são um fenômeno muito comum. Eles são também
chamados de sistemas convectivos de mesoescala. Alguns tipos particulares
destes sistemas são as linhas de instabilidade e os complexos convectivos de
mesoescala. Linhas de instabilidade são sistemas de nuvens de tempestade
arranjadas segundo uma linha. Diferentemente de uma linha de nuvens de
tempestade individuais, as nuvens de tempestade em uma linha de instabilidade
interagem entre si, sendo conectadas por uma região estratiforme semelhante a
um largo anvil. Linhas de instabilidade por se estender por várias centenas de
quilômetros, normalmente produzem ventos muito fortes e algumas vezes fracos
tornados. Linhas de instabilidade são, geralmente, formadas perto da interface
entre uma massa de ar úmida e quente e uma massa de ar fria. Complexos
convectivos de mesoescala são os maiores membros dos sistemas convectivos de
mesoescala. Eles são aglomerados de tempestade quase circulares com típicas
dimensões de 300 km ou mais e duração média de 15 horas, muito embora em
certas ocasiões possam durar por vários dias.
Uma nuvem de tempestade composta por uma única célula tem um ciclo de vida que
consiste de três estágios: desenvolvimento ou cúmulos, maduro e dissipativo.
No estágio de desenvolvimento, as correntes de ar ascendentes predominam
dentro da célula. Em geral pouca chuva e poucos ou mesmo nenhum relâmpago
ocorrem. No estágio maduro, ambos movimentos de ar ascendentes e descendentes
ocorrem. O anvil é em geral um aspecto proeminente, formado basicamente por
cristais de gelo. É neste estágio que a maioria da chuva, relâmpagos, granizo,
ventos fortes e tornados ocorrem. A chuva e o granizo em precipitação arrastam
o ar consigo para baixo, intensificando as correntes de ar descendentes e
produzindo frentes de rajadas, à medida que o ar espalha-se ao alcançar o
solo. Finalmente, no estágio dissipativo, o movimento do ar é
predominantemente descendente e a intensidade da chuva e da atividade de
relâmpagos diminui, embora permaneça significante. A nuvem gradualmente se
dissipa. Os ventos nos níveis superiores espalham os cristais de gelo, de modo
que o anvil é a última parte que resta da nuvem, tomando uma forma semelhante
a nuvens cirrostratus e altostratus. Cada estágio dura em média de 10 a 30
minutos.
Em setembro de 1752, Benjamin Franklin realizou um experimento para examinar a
natureza elétrica das tempestades. Ele colocou uma haste metálica em cima da
sua casa, conectada a um longo fio aterrado. Ele cortou o fio e separou suas
extremidades por cerca de 15 cm colocando um sino preso a cada uma delas. Uma
esfera metálica isolada foi suspensa entre os sinos, movendo-se entre eles e
batendo neles quando uma nuvem de tempestade passava próximo. Comparando a
carga no fio com uma carga conhecida, Franklin determinou que a base da nuvem
de tempestade era carregada negativamente. A estrutura básica de uma nuvem de
tempestade, entretanto, só foi proposta no começo do século 20. Ela pode ser
descrita como um dipolo elétrico positivo, composto por uma região carregada
positivamente acima de uma região carregada negativamente. Uma região de
cargas positivas mais fraca pode também existir perto da base da nuvem. O
centro positivo superior ocupa a metade superior do volume da nuvem, enquanto
que o centro negativo está localizado no meio da nuvem, em uma altura onde a
temperatura é em torno de -10 a 0 graus Celsius. A carga nestes centros pode
variar consideravelmente com a geografia e de nuvem para nuvem, com valores
entre uma dezena a algumas centenas de Coulombs. Carga negativa também esta
presente em uma fina camada envolvendo a parte superior da nuvem de
tempestade, incluindo o anvil, denominada camada de blindagem. Esta carga é
produzida pelo aprisionamento de íons negativos, gerados por raios cósmicos na
atmosfera, às partículas da nuvem na sua região superior.
Não se conhece exatamente como as nuvens de tempestade tornam-se carregadas. A
teoria mais aceita para explicar a produção de cargas requerida para
eletrificar uma nuvem de tempestade assume que as partículas carregadas são
produzidas por colisões de diferentes partículas de gelo no interior da nuvem.
Os detalhes do processo de colisão não são muito bem conhecidos, mas, em
termos gerais, dois tipos de processos tem sido considerados: processos
indutivos e não-indutivos. O processo indutivo considera que o campo elétrico
tem um papel preponderante sobre a formação das cargas, enquanto que o
processo não-indutivo considera que outros parâmetros são preponderantes, tais
como temperatura, potencial de contato, tamanho das partículas ou conteúdo de
água. É provável que mais de um parâmetro sejam relevantes e, também, que
diferentes parâmetros devam ser considerados em diferentes casos. Após as
partículas carregadas serem formadas, elas são separadas pelo efeito de
correntes de ar ascendentes e descendentes e pela ação gravitacional.
Referências de consulta: parte do texto e figuras são provenientes do site
www.elat.dge.inpe.br
O para-raios
Inventado por Benjamin Franklin no ano de 1750, o para-raios destina-se a
descarregar para a Terra as faíscas oriundas das nuvens carregadas
eletricamente. Quando uma nuvem esta carregada eletricamente, surge um
fenômeno chamado "separação de cargas elétricas", ou seja, elétrons são
arrancados de uma região da nuvem, deixando-a positiva, e se deslocam a outra,
tornando-a negativa. Isto faz com que o acumulo excessivo de eletricidade
acabe rompendo o isolamento do ar, tendendo a se descarregar na terra,
provando o relâmpago. O para-raios que é metálico, pontiagudo e se encontra
numa região alta, carrega esses elétrons até a terra rapidamente, pois é um
bom condutor metálico enterrado no solo.
O para-raios é constituído por uma haste de metal ligada a terra por um fio
condutor de cobre. Em sua extremidade superior existe uma coroa de quatro
pontas, coberta por platina a fim de suportar o forte calor gerado pela
descarga elétrica. A função básica de um para-raios é proporcionar um caminho
seguro para a descarga elétrica. Quando o fio está ligado a terra, o
para-raios faz com que a descarga seja conduzida até o solo. Assim, podemos
dizer que o para-raios nada mais é do que uma haste metálica pontiaguda
colocada em um lugar bem alto e ligada a terra. Seu princípio de funcionamento
se baseia no poder das pontas do condutor metálico.
Os para-raios modernos são constituídos de várias intermitências, ou
centelhadores, em bloco com matérias de resistência não linear, envolvidos por
porcelana. A função da intermitência é proporcionar o início do centelhamento
quando a onda de sobretensão atinge certo valor especificado, protegendo, com
margem adequada, o equipamento para frente de onda e, ainda, interrompendo a
corrente de 60 Hz o mais rápido possível (de preferência em menos de 0,5
ciclo).
Outra característica da intermitência é a de não descarregar
desnecessariamente quando o sistema é submetido à sobretensões previstas (caso
de curto fase-terra, por exemplo). A função da resistência não linear é a de
oferecer baixa resistência para o surto atmosférico e alta resistência para a
corrente subsequente de curto-circuito. Assim, depois do para-raios ter
escoado a corrente de surto para a terra, o resistor não linear aumenta de
valor, diminuindo a corrente de curto-circuito de tal maneira que a
intermitência seja capaz de interromper a corrente em menos de meio ciclo.
De uma maneira geral, um bom para-raios deve desempenhar as seguintes funções:
- Proteger as pessoas e os equipamentos contra os raios e consequentes
sobretensões;
- Limitar a corrente subsequente de 60 hz a um baixo valor;
- Eliminar a operação dos equipamentos de proteção de sobrecorrente, evitando
a redução da continuidade do serviço.
As características que definem o para-raios tipo válvula, em condições de
surto, são: a tensão disruptiva de impulso normalizado e as tensões de
descarga para vários valores de correntes de raio.
As características elétricas do para-raios são:
Tensão nominal - máxima tensão de frequência nominal, aplicável continuamente
entre os terminais do para-raios e na qual este deve operar corretamente sem
modificar suas características de operação.
Frequência nominal - frequência nominal do sistema para o qual o para-raios é
projetado.
Tensão disruptiva de frequência nominal - valor da tensão a frequência
nominal, a medida como o valor de crista dividido por raiz de 2, que causa
disrupção de todos os centelhadores-série.
Tensão disruptiva de impulso atmosférico normalizado - menor valor da crista
de impulso atmosférico que, aplicado aos terminais dos para-raios, causa
disrupção em todas as aplicações.
Tensão disruptiva de impulso de manobra - o valor entre os valores de ambas as
polaridades das tensões disruptivas de alta probabilidade, e das tensões
disruptivas de impulso de manobra na sobretensão de 1,3 para impulsos de
manobra com três formas, com tempos de frente de 30 a 60,150 a 300 e 1000 a
2000 milímetros por segundo e com o tempo de ate meio valor não menor que os
respectivos tempos de frente.
Característica "tensão disruptiva de impulso - tempo para disrupção" - curva
que relacional a tensão disruptiva de impulso ao tempo para disrupção.
Corrente de descarga - corrente de impulsos que flui pelo para-raios, após sua
disrupção.
Corrente de descarga nominal - valor de crista da corrente de descarga com a
forma de onda 8/20, que é usada para classificar o para-raios.
Tensão residual - valor da crista da tensão que aparece entre os terminais de
um para-raios, durante a passagem da corrente de descarga.
Corrente subsequente - corrente de frequência nominal que flui através do
para-raios em seguida a passagem da corrente de descarga.
Característica "tensão residual-corrente de descarga" - curva que relaciona a
tensão residual a corrente de descarga.
Os para-raios são escolhidos de acordo com suas tensões nominais, em função do
tipo de aterramento do sistema no qual esses dispositivos serão instalados.
Além deste aspecto de tensão, outras características devem ser levadas em
conta, tais como a máxima tensão da descarga e máxima tensão de impulso,
valores esses também fornecidos por todos os fabricantes.
1). Série A - tipo pesado:
São aqueles adequados a proteção dos equipamentos mais pesados, tais como
transformadores de força, dispositivos de comandos de alta tensão, etc.
2). Série A - tipo leve:
Seu campo de aplicação é semelhante ao anterior, com a diferença que os
equipamentos protegidos são de menor porte.
3). Série B:
São aqueles que se destinam a proteção de equipamentos, transformadores de
distribuição e respectivos dispositivos de comando.
(A reprodução deste texto está autorizada
desde que a autoria seja preservada e mencionada - Direitos Reservados:
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