Raios e Tempestades Profa. Dra. Rachel I. Albrecht (rachel.albrecht@iag.usp.br)

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1 Raios e Tempestades Profa. Dra. Rachel I. Albrecht Departamento de Ciências Atmosféricas (DCA) Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG) Universidade de São Paulo (USP) (rachel.albrecht@iag.usp.br) 25 de Junho de 2014

2 Índice 1) Introdução à Eletrificação de Nuvens a) Mecanismos de eletrificação dos hidrometeoros e estrutura elétrica das tempestades b) Tipos de descargas atmosféricas (relâmpagos) c) Física das descargas elétricas 2) Detecção de Descargas e Sistemas de Mapeamento 3) Raios nos Trópicos e no Brasil 4) Proteção contra raios

3 1) Introdução à Eletrificação de Nuvens Receita para a formação de Tempestades Ingredientes: Processo de Levantamento (levantar parcelas de ar ) Vapor d água, Aerossol Gotículas de água, Gotas de chuva Gotículas de água super-resfriada Granizo pequeno e grande, e cristais de gelo Corrente ascendente forte

4 1) Introdução à Eletrificação de Nuvens Receita para a formação de Tempestades Modo de preparar: Fazer as Nuvens (condensação do vapor d água) Fazer os hidrometeoros (gotículas, gotas, granizo, cristais de gelo) Fazer a eletrificação (colisões entre partículas de gelo)

5 Como as tempestades se formam? 1 o : Precisamos de uma parcela de ar 2 o : A parcela de ar precisa subir i) Força Mecânica: Topografia, Frente e convergência de massa ii) Convecção: Aquecimento da superfície Convecção Condução Frente Fria

6 Fazendo as nuvens (levantamento de parcelas de ar ):

7 Fazendo os hidrometeoros (gotículas, gotas, granizo, cristais): Temperatura F UR 100% base da nuvem A umidade relativa aumenta Q Ar quente sobe A terra libera calor

8 Temperatura F T = -60 o C z = 20 km T = -40 o C Deposição Cristais de gelo z = 15 km Deposição Cristais de gelo Agregação e Acreção Gotículas de água super-resfriada, cristais de gelo e granizo T = 0 o C Congelamento: Gotículas de água super-resfriada z = 4.5 km Coalescência e Colisão Gotículas de Nuvens e de chuva Condensação Gotículas de Nuvens Q Evaporação Vapor d água

9 1a) Mecanismos de eletrificação dos hidrometeoros e estrutura elétrica das tempestades o Mecanismo não-indutivo de separação de cargas entre hidrometeoros: o Camada quase-líquida (CQL) (Baker e Dash, 1994): transferida da partícula com CQL mais grossa para a partícula com CQL mais fina. Crescimento por difusão de vapor granizo cristal granizo cristal Antes da colisão Após a colisão Evaporação granizo cristal granizo cristal Antes da colisão Após a colisão

10 1a) Mecanismos de eletrificação dos hidrometeoros e estrutura elétrica das tempestades Captura de íons livres positivos da baixa atmosfera por hidrometeoros na base da nuvem

11 1b) Tipos de descargas atmosféricas (relâmpagos) Os raios mais comuns observados na atmosfera são : Nuvem-Solo (NS); Intra-nuvem (IN); Nuvem-Nuvem (NN) Nuvem-Nuvem (NN) NA centro de cargas positivas centro de cargas negativas IN NN pequeno centro de cargas positivas NS

12 NS Nuvem-Solo (mais perigosos)

13 NN Intra-Nuvem (mais numerosos ~90%)

14 1b) Tipos de descargas atmosféricas (relâmpagos) Outros tipos não tão comuns Raios bola Red Sprites Blue Jets Elves Univ. Federal de Pernanbuco. Porém tem sido observados com frequência, inclusive no Brasil.

15 Raio Bola

16 Raio Bola

17 Raio Bola

18 Raio Bola Como fazer seu raio bola em casa: - 1 uva cortada - colocá-la no microondas

19 Raio Bola Como fazer seu raio bola em casa: - 1 vela acesa - colocá-la no microondas

20 Raio Bola A teoria mais aceita, proposta por um grupo de pesquisadores da Nova Zelândia (John Abrahamsom e James Dinniss), é que este fenômeno seria formado pelo vapor do silício após uma descarga elétrica atingir o solo. A medida que o vapor de silício resfria ocorre condensação e por sua vez uma bola é formada devido a carga elétrica na superfície. (luz calor silício/oxigênio). UFPe

21 Red Sprites, Blue Jets, Elves

22 Red Sprites São descargas elétricas enormes mas de pouca luminosidade que aparecem acima de tempestades ativas, e tem correlação com CG+, e se extendem até ~ 95 km. Foi descoberto acidentalmente em 1989, Franz, e depois em 1990 o onibus espacial capturou mais de 20.

23 Red Sprites

24 Blue Jets São distintos dos sprites e foram documentados em Os blue jets são pulsos óticos expelidos a partir de tempestades ativas, e não estão necessariamente relacionados com CG. Se propagam até 40-50km e tem um tempo de vida de alguns mili-segundos.

25 Elves São rapidas expansões na forma de disco, com uma luminosidade que dura menos de 1 mili-segundo. Eles ocorrem em regiões bem altas, acima de CG altamente enegéticas. Acredita-se que está associado com pulsos eletromagnéticos que se propagam para a ionosfera. Foi descoberto em 1992 a partir de uma camera no onibus espacial.

26 1c) Física das descargas elétricas o Uma descarga elétrica (relâmpagos, raios) se inicia quando a rigidez dielétrica do ar é quebrada em um dado local da atmosfera o Rompido o isolamento do ar, se inicia uma avalanche de elétrons de uma região de cargas negativas para uma região de cargas positivas.

27 1c) Física das descargas elétricas stepped-leader caminha ~50m em 0,3 msec

28 1c) Física das descargas elétricas

29 1c) Física das descargas elétricas

30 1c) Física das descargas elétricas

31 1c) Física das descargas elétricas

32 1c) Física das descargas elétricas

33 1c) Física das descargas elétricas

34 1c) Física das descargas elétricas

35 1c) Física das descargas elétricas

36 1c) Física das descargas elétricas

37 1c) Física das descargas elétricas

38 2) Sistemas de detecção de descargas elétricas o Princípios de detecção de raios: o o As descargas atmosféricas emitem uma energia eletromagnética (EM) que pode ser observado em várias freqüências do espectro EM, tais como ondas de rádio (VHF, VLF, LF e ELF), visível e infra-vermelho próximo. Na faixa de freqüências de VLF (5 a 15 khz), as descargas atmosféricas emitem um ruído ou estática, conhecido como sferics. Este ruído pode se propagar sobre milhares de quilômetros entre o guia de onda formado pela ionosfera e a superfície terrestre. Freqüência EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF ELF a 300 GHz 3 a 30 GHz 1 GHz 30 a 300 MHz 3 a 30 MHz 300 a 3000 khz 30 a 300 khz 3 a 30 khz 1 KHz visível Infra vermelho TV FM Onda curta TV ionosonda RÁDIO AM Onda longa 5 KHz 15 KHz Sferics cm a 1cm 100cm a 10cm 10m a 1m 100m a 10m 1000m a 100m 10 a 1 Km Comprimento de Onda (m) Assobios Atmosféricos 1 R E Micropulsações

39 Espectro de potência RÁDIO 5000 Km VHF 400 Km 100 Km Stepped Leader (canal precursor) CG VLF VLF/LF VHF Freqüência (khz) Return Stroke (descarga de retorno) CG

40 VISÍVEL E INFRA-VERMELHO PRÓXIMO

41 2) Sistemas de detecção de descargas elétricas o RINDAT (Rede Integradda Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas)

42 2) Sistemas de detecção de descargas elétricas o BRASILDAT (Sistema BRASILeiro de detecção de Descargas ATmosféricas)

43 2) Sistemas de detecção de descargas elétricas o WWLLN (World Wide Lightning Location Network)

44 2) Sistemas de detecção de descargas elétricas o STARNET (Sferics Timing And Ranging NETwork )

45 2) Sistemas de detecção de descargas elétricas o TRMM LIS (TRMM Lihgnting Imaging Sensor)

46 3) Raios nos trópicos e no Brasil o Onde estão os máximos de raios totais nos trópicos?

47 Albrecht e Goodman (2010) 3) Raios nos trópicos e no Brasil o Onde estão os máximos de raios totais nos trópicos? (0.25 o resolução) 1 o máximo: Lago de Maracaibo, Venezuela

48 Albrecht e Goodman (2010) 3) Raios nos trópicos e no Brasil o Onde estão os máximos de raios totais nos trópicos? 2 o máximo: Nkenge, República Democrática do Congo

49 3) Raios nos trópicos e no Brasil o Animação da atividade de raios durante os meses do ano

50 3) Raios nos trópicos e no Brasil o Ranking de raios no Brasil:

51 3) Raios nos trópicos e no Brasil o Ranking de raios no Brasil:

52 3) Raios nos trópicos e no Brasil o Ranking de raios no Brasil: Porto Real, RJ 19 raios/km 2 /ano

53 4) Proteção contra raios

54 4) Proteção contra raios

55 4) Proteção contra raios

56 4) Proteção contra raios

57 Fim! Obrigada pela atenção!

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