ESTIMATIVA DE PROBABILIDADE DE OCORRÊNCIA DE RELÂMPAGOS

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1 ESTIMATIVA DE PROBABILIDADE DE OCORRÊNCIA DE RELÂMPAGOS Wagner Flauber A. Lima 1, Luiz A. T. Machado 1, Carlos A. Morales 2 e Osmar Pinto Jr. 3 RESUMO: Este trabalho apresenta uma relação entre descargas elétricas e nuvens penetrativas. Para este estudo foram utilizados dados dos canais Vapor da água (WV) cobrindo o intervalo de radiância entre µm e o canal infravermelho (IR) na janela de µm do satélite GOES-12 e dados de relâmpagos fornecidos pela Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Elétricas (RINDAT) durante o período de dezembro de 2004 a janeiro de A diferença entre os canais WV-IR permite monitorar a severidade da tempestade. Devido a intensa absorção do canal do WV espera-se que a diferença entre os canais seja quase sempre negativa, contudo, para tempestades intensas, os topos das nuvens penetram na estratosfera e a diferença entre os canais se torna positiva. A partir da relação da diferença WV-IR e a atividade elétrica das nuvens foi possível ajusta, com precisão, uma curva exponencial que relaciona diferença de WV-IR com probabilidade de ocorrência de descargas elétricas com um coeficiente de determinação de 0,9847. Através deste processo, podemos estimar a probabilidade de ocorrência de raio em regiões desprovidas de sensores de medidas de descargas elétricas. ABSTRACT: This work presents a relationship between electric discharges and convective clouds. The data used in this study were: Infra-Red (IR) and Water Vapor (WV) channels of the geostationary satellite GOES-12 data and lightning data supplied for the Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Elétricas (RINDAT) during the period of December of 2004 the January of The difference between WV and IR is a tracer of deep convection, because the strong absorption of the water vapor channel, this difference is positive only for over shooting cases. From the WV-IR difference and the electric activity of clouds was possible to adjusted an exponential curve that relates WV-IR difference with probability of occurrence of electric discharges, with a coefficient of determination of 0,9847. Through this process, we can estimation the probability of occurrence of lightning in regions unprovided of sensors of measures of electric discharges. Palavra-chave: Descargas elétricas, nuvens convectivas. INTRODUÇÃO 1 Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais / Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos / Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (DSA/CPTEC/INPE) - Rodovia Presidente Dutra km 39, , Cachoeira Paulista / SP. 2 Instituto de Astronomia, Geofísico e Ciências Atmosféricas - Universidade de São Paulo, SP. 3 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) - Av. dos Astronautas 1758, , São José dos Campos / SP, 1

2 Nos últimos tempos, tem se notado em toda parte do mundo fenômenos extremos e conseqüentemente causando desastres naturais, principalmente em locais onde o ser humano atua, provocando danos materiais e principalmente humanos à sociedade. Diversas razões são apontadas para explicar esse aumento tais como devida à variabilidade natural do clima ou em conseqüência do aquecimento global, induzido por causas naturais e pelos efeitos de atividades humanas. Hoje em dia, devido à melhora no sistema de previsão e monitoramento, o acompanhamento em tempo real de furacões, ciclones, tornados e tempestades severas vêm despertando os interesses da sociedade em geral, devido a sua utilidade nas tomadas de decisões por parte da defesa civil, redes de distribuição de energia elétricas e possibilidade de estudos sobre suas características em diferentes regiões. Atualmente o Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC) dispõem de infra-estrutura física e tecnológica que permite o desenvolvimento de produtos meteorológicos especializados, capazes de atender vários setores da meteorologia. Exemplos típicos desses serviços são: apoio à previsão do tempo a curto prazo, através de parâmetros meteorológicos estimados por satélites meteorológicos, monitoramento hidrometeorológico utilizando taxa de precipitação estimada por radar e satélite, monitoramento de sistema convectivos e tempestades elétricas (Souza et al., 2005). Um dos produtos recentemente desenvolvido na DSA para monitoramento de descargas elétricas, em parceria com o Laboratório de Eletricidade Atmosférica (ELAT/INPE) e a Universidade de São Paulo (USP), é a estimativa de probabilidade de ocorrência de descargas elétricas. Este produto relaciona nuvens penetrativas, isto é, nuvens com convecção profunda alcançando a tropopausa, com a ocorrência de descargas elétricas sobre o continente. Diante disto, este trabalho tem como objetivo apresentar o novo sistema de monitoramento de estimativa de probabilidade de ocorrência de descargas elétricas, que permite alerta em tempo real a possível ocorrência de descargas elétricas sobre o continente da América do Sul. MATERIAL E MÉTODOS Neste trabalho foram utilizados arquivos de dados de relâmpagos nuvem-solo fornecido pela Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Elétricas (RINDAT) a cada 5 minutos durante o período de dezembro de 2004 a janeiro de Essa é uma rede de sensores e centrais que permitem, em tempo real, da maior parte de descargas que atingem o solo (Pinto Jr., 2005). Também foram utilizados dados de imagens do satélite GOES-12, mais precisamente os canais infravermelho (IR) e vapor da água (WV). A figura 1 apresenta o mapa de localização dos sensores da rede RINDAT e um recorte da imagem do canal IR mostrando a área de eficiência desta rede de detecção, onde foram realizados nossos estudos. 2

3 b) a) Figura 1 a) Mapa de localização dos sensores da rede RINDAT; b) Imagem mostrando as áreas de eficiência de detecção (20,60 e 90 %) da rede RINDAT sobreposta a imagem GOES-12 e ao numero de descargas elétricas nos últimos 30 minutos em uma área de 10x10 km 2 De acordo, com Schmetz et al. (1997) e Kurino (1997), as diferenças positivas entre os canais do WV ( µm) e janela atmosférica (IR) ( µm) podem está relacionadas com topos de nuvens com convecção profundas ou nuvens penetrativas. São consideradas nuvens penetrativas aquelas que seu topo consegue penetra nas camadas da tropopausa, injetando umidade na estratosfera, essas nuvens apresentam grande atividade convectiva tendo em vista sua profundidade e grande quantidade de gelo, principal responsável pela criação de forte campo elétrico no interior da nuvem. Esse fato se explica pela diferente propriedade dos dois canais. O canal IR, por estar situado na faixa da janela atmosférica, apresenta pouca absorção aos gases atmosféricos e o valor medido, de uma forma geral, representa, com um erro em torno de 1K (Galante e Machado, 2006) a temperatura de emissão do alvo, isto é, o topo da nuvem ou a superfície. Já o canal WV se situa no centro da faixa de absorção do vapor d água e portanto, as medidas dos mesmos alvos observados pelo canal IR, representam a temperatura de emissão do alvo menos a absorção desta radiação pelo vapor d água atmosférico. Logo, a diferença entre a temperatura de brilho dos canais WV e IR, de uma forma geral, sempre será negativa, a menos dos casos de nuvens penetrativas que injetam vapor d água na estratosfera que apresenta uma temperatura maior que a da tropopausa. Nestes casos, a diferença WV-IR passa a ser positiva e indica a presença de nuvens muito ativas e provavelmente com forte atividade elétricas e convectiva e com considerável quantidade de gelo. As descargas elétricas são de grande extensão e de grande intensidade, e ocorrem devido ao acúmulo de cargas elétricas em regiões localizadas da atmosfera, em geral dentro de tempestades. A descarga inicia-se quando o campo elétrico produzido por estas cargas excede a capacidade isolante, 3

4 também conhecido como rigidez dielétrica, do ar em um dado local na atmosfera, que pode ser dentro da nuvem ou próximo ao solo. Quebrada a rigidez, tem início um rápido movimento de elétrons de uma região de cargas negativas para uma região de cargas positivas (Pinto Jr. et al., 2004). Baseando-se na relação entre a diferença WV-IR e a atividade elétrica das nuvens levantou a probabilidade de ocorrência de descargas elétricas para cada valor inteiro da diferença WV-IR, no intervalo de -10 a 10 K. Essa análise foi realizada somente na área de eficiência de detecção da rede RINDAT maior que 90 % (parte da região de Sul - Sudeste). Nesta análise foram levados em conta em torno de descargas elétricas. A curva de probabilidade foi levantada considerando a imagem de satélite no horário da medida da descarga elétrica em uma área de 10 km de raios do centro do pixel do satélite. RESULTADOS A figura 2 mostra os pontos entre a diferença de temperatura de brilho e a freqüência relativa de ocorrência de descargas elétricas. Pode-se observar um ótimo ajuste a uma curva exponencial com um coeficiente de determinação de 0,9847. Nota-se que à medida que a diferença aumenta a probabilidade de ocorrência de descargas elétricas aumenta. Para valores positivo a probabilidade de ocorrência é superior a 13 %. Figura 2 Curva ajustada entre a diferença de temperatura de brilho e a freqüência relativa de ocorrência de descargas elétricas. Esse resultado mostra que as descargas elétricas estão altamente relacionadas com as nuvens penetrativas, podendo assim ter uma estimativa de probabilidade de ocorrência de descargas elétricas para qualquer região da América do sul a partir das imagens GOES. 4

5 A figura 3a mostra um exemplo de campo de probabilidade de detecção de descarga elétrica para o dia 15/09/2006 as 19:30 GMT e a figura 3b mostram o número de descargas elétricas detectadas pela rede RINDAT, em uma área de 10 x 10 km 2 para 15 minutos antes e a 15 minutos depois do horário da varredura do satélite. Observa-se que a região sul-sudeste com probabilidade de ocorrência de raio coincide muito bem com os raios nuvens-solo detectados pela rede. Esse produto está sendo disponibilizado para usuários em tempo real a cada meia hora no site: (a) (b) Figura 3 a) Campo de probabilidade de detecção de descarga elétrica para o dia 15/09/2006 as 19:30 GMT; b) Número de raios detectado pela rede RINDAT, em uma área de 10 x 10 km 2 para o dia 15/09/ :15 a 19:45 GMT. CONCLUSÕES Neste trabalho analisa-se a relação das atividades elétricas com as nuvens penetrativas ou nuvens com convecção profunda, que podem ser determinadas através da diferença de temperatura de brilho entre os canais IR e WV do satélite GOES-12. A hipótese principal testada neste estudo é que as nuvens penetrativas são fortemente associadas à ocorrência de descargas elétricas e que as nuvens penetrativas podem ser monitoradas através da diferença entre os canais WV e IR. Através desse estudo foi possível determinar uma relação para estimar a probabilidade de ocorrência de descargas elétricas sobre região da América do Sul. Com base nos resultados obtidos concluiu-se que as diferenças dos canais WV e IR pode dar informação 5

6 satisfatória a respeito de ocorrência de descargas elétricas em regiões desprovidas de sensores de medidas de descargas elétricas. Como as observações convencionais fornecidas pela RINDAT oferecem cobertura espacial parcial da, América do Sul, esse produto se apresenta como uma informação alternativa na detecção de descargas elétricas. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA GALANTE, R. N. e Machado, L. A. T., 2006: Um Modelo de Estimativa dos Ventos Para os Baixos Níveis Utilizando Imagens dos Canais Visível e Infravermelho Próximo (3,9µm). Submetido a Revista Brasileira de Meteorologia. KURINO, T., 1997: A satellite infrared Technique for estimating Deep/Shallow precipitation. Adv. Space Res., 19, 3, MACEDO, S.R.; W.F.A. Lima, L.A.T. Machado, O. Pinto Jr., 2005: Monitoramento e evolução de descargas elétricas atmosféricas associadas a sistemas convectivos de mesoescala. Boletim da Soc. Bras. Meteorologia, 29, 3, PINTO JR., O., 2005: A arte da guerra contra os raios. Editora Oficina do Texto. PINTO JR., O., Saba, M.M.F., Pinto, I.R.C.A., Tavares, F.S.S., Solorzano, N.N., Naccarato, K.P., Taylor, M., P.D. Pautet, Holzworth, R.H., 2004: "Thunderstorm and lightning characteristics associated with sprites in Brazil", Geophys. Res. Lett., 31(13): SCHMETZ, J., Tjemkes, S. A., Gube, M., and Van de Berg, L., 1997: Monitoring deep convection and convective overshooting. Adv. Space Res., 19, 3, SOUZA, R. A. F., M.P. Corrêa, J. C. Ceballos, C. F. de Angelis, L. A. Machado, W.F.A. Lima, S. R. Macedo, 2005: Contribuições à Meteorologia por Satélite: Produtos Operacionais no CPTEC. Boletim da Soc. Bras. Meteorologia, 29, 2,

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