Eletricidade e Magnetismo: 1. A física das tempestades e dos raios

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INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais

Tempestade em New South Wales, Austrlia
Neste artigo explicam-se diversos aspectos sobre a fsica envolvida na formao de nuvens de tempestades e relmpagos, fenmenos que por milhares de anos assustaram a humanidade e com os quais devemos ter alguns cuidados.

Como as nuvens se formam?

A origem de uma nuvem est no calor que irradiado pelo Sol atingindo a superfcie de nosso planeta. Este calor evapora a gua que sobe por ser menos denso que o ar ao nvel do mar. Ao encontrar regies mais frias da atmosfera o vapor se condensa formando minsculas gotinhas de guas que compem ento as nuvens.

Basta ento calor e umidade?

No. Na atmosfera a temperatura do ar diminui com a altura. Dependendo de quo rpida esta diminuio, o crescimento de uma nuvem pode ser acelerado ou inibido.

Alguns outros fatores podem tambm dar uma mozinha para que a nuvem cresa: as montanhas, onde ventos batem forando o ar quente subir, e as frentes frias, camadas de ar frio que funcionam como uma cunha empurrando o ar quente para cima. Sabemos ainda que para o vapor tornar-se uma gotinha dgua ele precisa encontrar na atmosfera partculas slidas sobre as quais se condensar. Essas partculas esto sempre em suspenso no ar, mesmo nas regies onde o ar muito puro.

Todas as nuvens produzem relmpagos?

No. Somente as nuvens de tempestades, conhecidas como cumulus-nimbus, possuem os ingredientes necessrios para produzir relmpagos: ventos intensos, grande extenso vertical e partculas de gelo e gua em diversos tamanhos.

Que aspecto tm as nuvens de tempestade?


Nuvens de tempestade em Ji-Paran, RO
Estas nuvens so enormes. Elas tm sua base em 2 ou 3km e o topo em at 20km de altitude! Podem ter 10 ou mesmo 20km de dimetro.

Normalmente tm a sua base escura, pois a luz solar absorvida e espalhada pelas partculas de gua e gelo de que so formadas. O seu topo muitas vezes atinge a base da estratosfera (camada da atmosfera logo acima da troposfera, onde vivemos). Ao atingir a base da estratosfera, a nuvem no consegue mais subir, pois a temperatura nessa camada tende a aumentar devido absoro do ultravioleta pela camada de oznio. Assim ela se espalha horizontalmente na direo dos ventos nessa altitude, fazendo que a nuvem tenha o aspecto de uma bigorna.

As nuvens de tempestade geralmente esto associadas a: chuvas torrenciais e enchentes, granizo ou chuva de pedra, ventos intensos ou rajadas de vento, e eventualmente os temveis tornados. A quantidade de energia envolvida em apenas uma tempestade modesta assustadora.

Ela vrias vezes superior energia liberada pela primeira bomba atmica detonada em um deserto dos Estados Unidos em 1945. A diferena que a bomba atmica libera toda sua energia em uma frao de segundo, enquanto uma tempestade o faz durante um perodo de muitos minutos ou vrias horas.

Qual o efeito das tempestades sobre o clima?

As tempestades so como grandes trocadores de calor. Ou seja, o ar que prximo ao cho encontrava-se, em dias de vero, a quase 40C, pode ser transportado at o topo da tempestade onde pode chegar com a temperatura de -70C. Existem estimativas de que o nosso planeta sem essas nuvens trocadoras de calor teria uma temperatura mdia 10C maior.

Por que as nuvens se eletrificam?


Chuva de granizo cobriu de gelo ruas de Barueri,
SP, em setembro de 2007
Ainda no h uma teoria definitiva que explique a eletrificao da nuvem. H, no entanto, um consenso entre os pesquisadores de que a eletrificao surge da coliso entre partculas de gelo, gua e granizo no interior da nuvem. Uma das teorias mais aceitas nos diz que o granizo, sendo mais pesado, ao colidir com cristais de gelo, mais leves, fica carregado negativamente, enquanto os cristais de gelo ficam carregados positivamente.

Isso explicaria o fato de a maioria das nuvens de tempestade ter um centro de cargas negativas embaixo e um centro de cargas positivas na sua parte superior. Algumas nuvens apresentam tambm um pequeno centro de cargas positivas prximo sua base.

Por que existem relmpagos?

Quando a concentrao de cargas no centro positivo e negativo da nuvem cresce muito, o ar que os circunda j no consegue isol-los eletricamente. Acontecem ento descargas eltricas entre regies de concentrao de cargas opostas que aniquilam ou pelo menos diminuem essas concentraes. A maioria das descargas (80%) ocorre dentro das nuvens, mas como as cargas eltricas na nuvem induzem cargas opostas no solo, as descargas podem tambm se dirigir a ele.

Quando e quem descobriu que os raios eram enormes descargas (fascas) eltricas?


Franklin, fazendo da eletricidade um brinquedo
(alegoria de Barney West)
Em 1752, Benjamin Franklin props uma experincia para verificar se as nuvens possuam eletricidade. Sugeria que uma pessoa subisse no alto de uma montanha em um dia de tempestade e verificasse se de uma haste metlica isolada do cho pulariam fascas em direo aos dedos da sua mo. Era uma experincia arriscadssima que ele mesmo no a realizou, talvez por no haverem montanhas suficientemente altas na Filadlfia, onde morava. Quem a realizou pela primeira vez foi Thomas Franois Dalibard, na Frana, em maio de 1752. Um ms depois, sem saber do sucesso da experincia na Frana, Franklin conseguiu uma maneira de a realizar na Filadlfia. Em um dia de tempestade empinou uma pipa e observou fascas pularem de uma chave amarrada prximo da extremidade da linha sua mo. Tanto uma como outra experincia no devem ser repetidas por ningum. Vrias pessoas morreram tentando repeti-las!

Como funciona o pra-raios?

Um pra-raios nem atrai nem repele os raios. Ele tambm no descarrega a nuvem como pensava Benjamin Franklin. Ele simplesmente oferece ao raio um caminho fcil at o solo que ao mesmo tempo seguro para ns e para o que pretendemos proteger.

Quais os tipos de relmpagos?

Aqueles que tocam o solo (20%) podem ser divididos em descendentes (nuvem-solo) e ascendentes (solo-nuvem).

Os que no tocam o solo podem ser basicamente de trs tipos: dentro da nuvem, da nuvem para o ar e de uma nuvem para outra. O tipo mais freqente dos raios o descendente.

O raio ascendente raro e s acontece a partir de estruturas altas no cho (arranha-cus) ou no topo de montanhas (torres, antenas). Os raios ascendentes tm sua ramificao voltada para cima.

O que um raio bola?


Raio bola
O raio bola o mais misterioso dos raios e, portanto o que mais intriga os cientistas. Ele j foi observado por milhares de pessoas e, no entanto no h at hoje medidas suficientes que possam comprovar qualquer uma das vrias teorias elaboradas para explic-lo. Normalmente o seu tamanho varia entre o de uma bola de ping-pong e o de uma grande bola de praia, e sua durao em mdia 15 segundos; possui um colorido na maioria das vezes amarelado e luminosidade menor do que uma lmpada de 100W. Flutua pelo ar no muito longe do cho, e no segue necessariamente a direo do vento.

Costuma desaparecer silenciosamente ou acompanhado de uma exploso.

Existem raios positivos e negativos?

Sim. Os raios tm a sua polaridade atribuda conforme o tipo de carga que neutralizam na nuvem. Portanto, se um raio neutralizar cargas negativas na nuvem ele um raio negativo. Na prtica no pode mos dizer com certeza se um raio positivo ou negativo a no ser com o auxlio de instrumentos adequados.mos dizer com certeza se um raio positivo ou negativo a no ser com o auxlio de instrumentos adequados.

Quais as fases de um raio?

Um raio comea com pequenas descargas dentro da nuvem. Estas descargas liberam os eltrons que comearo seu caminho de descida em direo ao solo. Esse caminho de descida tortuoso e truncado em passos de 50 metros, como que buscando o caminho mais fcil. Esta busca de uma conexo com a terra muito rpida (330.000 km/h) e pouco luminosa para ser visto a olho nu.

Quando essa descarga, conhecida como lder escalonado, encontra-se a algumas dezenas de metros do solo, parte em direo a ela uma outra descarga com cargas opostas, chamada de descarga conectante. Forma-se ento o que conhecido como o canal do raio, um caminho ionizado e altamente condutor. Por ele passa um gigantesco fluxo de cargas eltricas denominado descarga de retorno. neste momento que o raio acontece com a mxima potncia, liberando grande quantidade de luz.

O raio pisca?

Se houver cargas disponveis na nuvem, uma outra descarga intensa (chamada subseqente) pode acontecer logo aps a primeira. Aproximadamente metade dos raios possui descargas subseqentes. Eles so chamados de raios mltiplos. Em mdia o nmero de descargas subseqentes em raios mltiplos trs, mas j foram observadas mais de 50 descargas subseqentes em um mesmo raio. O tempo entre uma descarga e outra s vezes suficientemente longo possibilitando ao olho humano ver no uma, mas vrias descargas acontecendo no mesmo local; quando vemos o raio piscar.

Sobe ou desce?

As duas coisas. Se pensarmos em termos das cargas eltricas que fluem no raio, concluiremos, como foi explicado anteriormente, que as cargas descem um bom trecho do caminho antes de se encontrarem com uma descarga que parte do solo subindo em direo a ela para formar o caminho do raio.

Por que os raios se ramificam?

A primeira descarga do raio geralmente apresenta-se muito ramificada pois no seu caminho at o solo as cargas eltricas buscam o caminho mais fcil (em termos de menor resistncia do ar) e no o mais curto (que seria uma linha reta). O caminho mais fcil, geralmente em ziguezague, determinado por diferentes caractersticas eltricas da atmosfera, que no homognea.

Qual a durao de um raio?

Um raio composto de vrias descargas pode durar at 2 segundos. No entanto, cada descarga que compe o raio dura apenas fraes de milsimos de segundo.

Qual a sua voltagem e corrente?

A voltagem de um raio encontra-se entre 100 milhes a 1 bilho de Volts. A corrente da ordem de 30 mil Ampres, ou seja, a c orrente utilizada por 30 mil lmpadas de 100W juntas. Em alguns raios a corrente pode chegar a 300 mil Ampres!

Qual a energia envolvida em um raio?

Grande parte da energia de um raio transformada em calor, luz, som e ondas de rdio. Apenas uma frao dela convertida em energia eltrica. Sabemos que a durao de um raio extremamente curta, assim, apesar dos grandes valores de corrente e voltagem envolvidos a energia eltrica mdia que um raio gasta de 300kWh, ou seja, aproximadamente igual de uma lmpada de 100W acesa durante apenas quatro meses.

possvel utilizar a energia de um raio?

Para que pudssemos utilizar essa energia, necessitaramos no s captur-la mas tambm armazen-la, o que ainda impossvel. Para capturar raios seria necessria uma quantidade muito grande de hastes metlicas para aumentar a chance de que fossem atingidas. No entanto, encontram-se em andamento pesquisas que tentam drenar as cargas eltricas das nuvens de tempestade com o auxlio de potentssimos raios laser. A idia tentar, com o auxlio do laser, guiar o raio at um local onde fosse possvel armazenar a sua energia.

Qual a sua espessura e comprimento?

O raio pode ter at 100km de comprimento. Raios com esse comprimento geralmente envolvem mais de uma nuvem de tempestade. Apesar de seu grande comprimento, a espessura do canal de um raio de apenas alguns centmetros.

Qual a temperatura de um relmpago?

A temperatura superior a cinco vezes a temperatura da superfcie solar, ou seja, a 30.000 graus Celsius. Quando um raio atinge e penetra solos arenosos a sua alta temperatura derrete a areia, transformando-a em uma espcie de tubo de vidro chamado fulgurito.

O que o trovo?

Muita gente acha que o trovo o barulho causado pelo choque entre nuvens. Esta idia errada e muito antiga. Lucrcio (98-55 a.C.) acreditava que tanto o raio como o trovo eram produzidos por colises entre nuvens. Na verdade o rpido aquecimento do ar pela corrente eltrica do raio que produz o trovo. Assim como uma corrente eltrica aquece a resistncia de nossos aquecedores, a corrente do raio, ao passar pelo ar (que um pssimo condutor), aquece-o e ele se expande com violncia, produzindo um som intenso e grave. Nos primeiros metros a expanso ocorre com velocidade supersnica. Um trovo intenso pode chegar a 120 decibis, ou seja, uma intensidade comparvel que ouve uma pessoa nas primeiras fileiras de um show de rock.

Como saber se o raio caiu perto?

A luz produzida pelo raio chega quase que instantaneamente na vista de quem o observa. J o som (trovo) demora um bom tempo, pois a sua velocidade aproximadamente um milho de vezes menor. Para saber a que distncia aconteceu o raio, comece a contar os segundos ao ver o seu claro e pare de contar ao ouvir o seu trovo. Divida o nmero obtido por trs e voc ter a distncia aproximada do raio at voc em quilmetros. Essa conta se explica se tivermos em conta que a velocidade do som de aproximadamente 330m/s, ou seja, um tero de quilmetro por segundo.

Se o raio dura apenas fraes de segundo, porque o trovo to longo?

O som do trovo inicia-se com a expanso do ar produzida pelo trecho do raio que estiver mais prximo do observador e termina com o som gerado pelo trecho mais distante (sem considerar as reflexes que possa ter).

Como v-se, o canal do raio pode ter dezenas de quilmetros. Assim, o som gerado por uma extremidade que esteja muito distante pode chegar dezenas de segundos depois de ouvirmos o som gerado por um trecho do canal que estiver mais prximo.

A que distncia pode-se ouvir o trovo?

Um trovo dificilmente pode ser ouvido se o raio acontecer a uma distncia maior do que 25 quilmetros. Isso deve-se tendncia que o som tem de curvar-se em direo a camadas de ar com menor temperatura (refrao). Como a temperatura da atmosfera geralmente diminui com a altura, o som do trovo curva-se para cima passando por cima do observador.

Alm da luz, o raio produz alguma outra radiao?

Alm de produzir luz, o raio produz ondas eletromagnticas em vrias outras freqncias, inclusive raios-X. comum ouvirmos rudos e chiados ao sintonizarmos uma rdio AM em dia de tempestade. Isso ocorre porque o raio tambm produz ondas nesta faixa de freqncia. Graas a essa caracterstica, antenas sincronizadas podem localizar o local de sua ocorrncia com preciso simplesmente recebendo a onda eletromagntica produzida pelos raios.


Foto do primeiro raio artificial induzido no Brasil.
O que so os raios induzidos?

Uma grande dificuldade no estudo dos raios no poder reproduzi-los em laboratrio. Como a natureza no avisa onde e quando o raio vai ocorrer, uma maneira alternativa de estud-lo consiste em provocar o raio para que acontea prximo aos instrumentos de medida e no momento em que estiverem preparados. Para que isso acontea, foguetes especialmente preparados so lanados em direo base de uma nuvem de tempestade. Eles tm aproximadamente 1 metro de comprimento e levam consigo uma bobina de fio de cobre que se desenrola ao longo da subida. O fio de cobre atua como um gigante pra-raios cuja presena induz a ocorrncia do raio. A corrente eltrica do raio passa pelo fio e por instrumentos de medida na base de lanamentos.

Outras medidas podem ser feitas tambm ao redor da base. Raios induzidos foram feitos pela primeira vez no Brasil na sede do INPE em Cachoeira Paulista, em novembro de 2000.

Mitos

Os raios e os troves aparecem com constncia nos mitos das civilizaes do passado. Profetas, sbios, escribas e feiticeiros os interpretavam como manifestaes divinas, considerados principalmente como reao de ira contra as atitudes dos homens. Nas mos de heris mitolgicos e de divindades eram utilizados como lanas, martelos, bumerangues, flechas ou setas para castigar e perseguir os homens pecadores.

H mais de cinco mil anos, os babilnicos acreditavam que o deus Adad carregava um bumerangue em uma de suas mos. Ao ser lanado provocava o trovo. Na outra mo empunhava uma lana. Quando arremessada produzia os raios. Para os antigos gregos, os raios eram lanas produzidas pelos gigantes Ciclopes, criaturas de um olho s. Elas eram feitas para que Zeus, o rei dos deuses, as atirasse sobre os homens pecadores e arrogantes. Como a mitologia grega foi migrada e adaptada romana, a interpretao dada aos raios no sofreu muita alterao entre os romanos. O rei dos deuses, Jpiter, tambm tinha o hbito, como Zeus, de enviar raios (lanas) sobre os homens. Minerva, a deusa da sabedoria, no lugar de Ciclopes, era quem abastecia Jpiter com esta poderosa arma. Entre os nrdicos, que viviam no norte da Europa, Thor era o deus do trovo e dos raios. O som do trovo era provocado pelo movimento das rodas de sua carruagem e os raios podiam ser vistos quando Thor arremessava seu martelo.

Inmeras verses sobre proteo contra raios foram criadas por mitos e crenas populares. Acreditava-se, por exemplo, que havia rvores que atraam raios, enquanto outras as repeliam. O grande deus romano, Jpiter, tinha como smbolo o carvalho, rvore alta e majestosa, constantemente atingida por raios. Por outro lado, acreditava-se no poder de proteo do loureiro, arbusto tambm encontrado na regio do Mediterrneo, cujos ramos e folhagens eram utilizados sobre a cabea de imperadores e generais romanos. O loureiro era considerado um meio de proteo contra a ira dos deuses da tempestade que, presumia-se, invejavam os generais pelas vitrias e conquistas de seus exrcitos. Outra crena, muito difundida na Europa Medieval, dizia que o badalar dos sinos das igrejas durante as tempestades afastaria os raios. A superstio perdurou por muito tempo. Muitos campanrios de igreja foram atingidos e mais de uma centena de tocadores de sino foram mortos acreditando em tal idia. A superstio perde fora somente no incio do sculo XVIII.

Outra crena popular mais antiga considerava a pedra-de-raio um talism para proteo pessoal e de residncias entre povos europeus, asiticos e americanos. No nordeste brasileiro, a pedra-de-raio conhecida at hoje como pedra-de-corisco, por influncia dos portugueses do sculo XVI. A pedra seria trazida pelo raio, cuja fora meterica a enterraria. A origem de tal superstio est baseada na falsa idia de que um local no pode ser atingido duas vezes pelo mesmo raio, mas a explicao para a origem destas idias pode estar relacionada com achados de utenslios e armas de pedra polida de povos mais antigos. Sabe-se que os etruscos e, mais tarde, os romanos da antigidade usavam a pedra (pontas de flechas e de martelos) em colares como amuleto. Ficavam mostra no pescoo, mas tambm eram colocadas nas casas e no telhado com o intuito de ficar a salvo dos raios. Na Bahia, os escravos africanos acreditavam que a pedra-santa-brbara, como chamavam a pedra-de-raio, desprendia-se da atmosfera durante as tempestades. Ela teria poderes curativos e por isso era utilizada em preparos de remdios para diversas doenas.

As supersties sobre raios e tambm sobre os meios de proteo permanecem presentes na vida moderna. Uma delas afirma que espelhos atraem raios, por isso, durante as tempestades, devem ficar cobertos com um pano. Outra defende que raios no atingem um mesmo local duas vezes.

Evite acidentes

Para evitar acidentes com relmpagos as regras de proteo pessoal listadas abaixo devem ser seguidas. Se possvel, no saia para a rua ou no permanea na rua durante as tempestades, a no ser que seja absolutamente necessrio. Nestes casos, procure abrigo nos seguintes lugares:

- carros no conversveis, nibus ou outros veculos metlicos no conversveis;
- em moradias ou prdios, de preferncia que possuam proteo contra raios;
- em abrigos subterrneos, tais como metros ou tneis;
- em grandes construes com estruturas metlicas;
- em barcos ou navios metlicos fechados;
- em desfiladeiros ou vales.

Se estiver dentro de casa, evite:
- usar telefone, a no ser que seja sem fio;
- ficar prximo de tomadas e canos, janelas e portas metlicas;
- tocar em qualquer equipamento eltrico ligado a rede eltrica.

Se estiver na rua, evite:
- segurar objetos metlicos longos, tais como varas de pesca, trips e tacos de golfe;
- empinar pipas e aeromodelos com fio;
- andar a cavalo;
- nadar;
- ficar em grupos.

Se possvel, evite os seguintes lugares que possam oferecer pouca ou nenhuma proteo contra raios:
- pequenas construes no protegidas, tais como celeiros, tendas ou barracos;
- veculos sem capota, tais como tratores, motocicletas ou bicicletas;
- estacionar prximo a rvores ou linhas de energia eltrica.

Se possvel, evite tambm certos locais que so extremamente perigosos durante uma tempestade, tais como:
- topos de morros ou cordilheiras;
- topos de prdios;
- reas abertas, campos de futebol ou golfe;
- estacionamentos abertos e quadras de tnis;
- proximidade de cercas de arame, varais metlicos, linhas areas e trilhos;
- proximidade de rvores isoladas;
- estruturas altas, tais como torres, linhas telefnicas e linhas de energia eltrica.

Se voc estiver em um local sem um abrigo prximo e sentir seus plos arrepiados ou sua pele coar, est indicando que um raio est preste a cair, portanto, ajoelhe-se e curve-se para frente, colocando suas mos nos joelhos e sua cabea entre eles. No se deite no cho.

Autor: Dr. Marcelo M. F. Saba, msaba@dge.inpe.br


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