Projeto de Iniciação Científica Centro Universitário da FEI. Estudo das Tempestades Elétricas através de Sensores Ópticos

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1 Projeto de Iniciação Científica Centro Universitário da FEI Estudo das Tempestades Elétricas através de Sensores Ópticos Nome da orientadora: Rosangela Barreto Biasi Gin Depto: Física Nome do aluno: Murilo Bassoli No Início do projeto: Março de 2011 Término do projeto: Fevereiro de 2012 Duração: 12 meses

2 Resumo O estudo das tempestades atmosféricas através de sensores ópticos traz informação sobre as principais características físicas dos relâmpagos. Estas informações quando acopladas à sensores de campo elétrico, informam a real condição das tempestades elétricas. O principal objetivo deste projeto é identificar as tempestades que ocorrem em São Bernardo do Campo e regiões vizinhas e suas características físicas predominantes. Deve-se também aprimorar a estrutura de monitoramento óptico contínuo, dando suporte ao monitoramento elétrico contínuo em desenvolvimento na FEI. Palavras-chave: 1. Tempestades severas 2. Descargas atmosféricas 3. Câmeras de Vídeo Objetivo e justificativa O principal objetivo deste projeto é monitorar as tempestades atmosféricas e classificar os relâmpagos que ocorrem em São Bernardo do Campo. Este projeto visa monitorar as tempestades severas através de sensores ópticos e auxiliar na qualificação das informações obtidas dos sensores elétricos desenvolvidos na FEI. Além disso, deve-se identificar e classificar os vários tipos de relâmpagos que ocorrem nesta região caracterizando as tempestades severas. A região do Grande ABCD está entre as 20 primeiras posições das regiões que apresentam máximas densidades de descargas atmosféricas da região sul e sudeste do Brasil. Este alto índice de densidade, entre 6 e 10 relâmpagos por km 2 /ano, deve-se as condições meteorológicas e orográficas da região que favorecem à ocorrência de tempestades severas. Grandes impactos têm sido registrados nesta região. Um grande número de pessoas tem sido atingido por descargas atmosféricas e há vários casos de enchentes. Desta forma, a proposta de desenvolvimento aqui apresentada vem contribuir com a comunidade não só no que tange a auxiliar o desenvolvimento tecnológico, pois este

3 auxilia o desenvolvimento de sensores eletromagnéticos, como também auxilia na identificação de tempestades severas que ocorrem numa região tão pouco estudada. Revisão bibliográfica Este projeto envolve monitoramento de tempestades através de um sistema óptico acoplado ao sistema elétrico. As descargas atmosféricas são fenômenos naturais que exibem grande fascínio pela sua beleza e pelo seu poder de destruição. Grande parte da população sofre com os efeitos diretos ou indiretos das descargas atmosféricas. Um estudo feito nos Estados Unidos e na França mostram que cerca de 100 pessoas são atingidas por ano por descargas atmosféricas sendo 10% destas vítimas fatais (Holle e Cooper, 2000; Gourbiere, 1999). No Brasil, ainda não se tem esta estatística. Estudos recentes mostram que mais de 20 pessoas foram atingidas diretamente durante o verão de 2001 na região da Capital Paulistana ( Gin et al., 2002). Desta forma, torna-se importante identificar o fenômeno. Relâmpagos são fenômenos naturais constituídos por uma sucessão descargas atmosféricas com duração da ordem de alguns segundos. As descargas podem ocorrem entre nuvens, entre a nuvem e o solo, entre a nuvem e a ionosfera e dentro da nuvem. Este último tipo é o mais freqüente. As descargas atmosféricas que iremos identificar são descargas do tipo nuvem-solo e intranuvem. As descargas nuvem-solo são na sua maioria descargas múltiplas com polaridade negativa e apresentam intensidade média de corrente de 30 ka (Gin et al., 2000). A faixa de freqüência dessas descargas varia de 0,1 a 10 MHz e o campo eletrostático é da ordem de 1 a 10 4 V/m (Uman, 1987). Sensores a bordo de balão estratosférico identificaram relâmpagos no sudeste do Brasil na faixa de 1 a 10 khz e campo da ordem de alguns volts por metro (Pinto et al., 1992).

4 Os relâmpagos nuvem-solo iniciam-se de um dos centros de carga da nuvem de tempestade por uma descarga de pouca intensidade luminosa denominada líder escalonado. Esta descarga descendente propaga-se em etapas discretas com velocidade média de 105 m/s, criando assim um canal ionizado (figura 1). Utilizando-se de registros fotográficos estima-se que o diâmetro do canal é de 1 a 10 metros. O líder escalonado pode ramificar-se e a tortuosidade dos ramos dá-se devido a descarga vagar em busca dos caminhos mais favoráveis a formação do canal. Os ramos têm extensão em torno de 50 metros e são separados por etapas com intervalos de 50 microssegundos. Tão logo a parte frontal do líder escalonado se estenda até aproximadamente 10 a 20 metros do solo, uma descarga ascendente denominada descarga conectante propaga-se em sua direção. Esta descarga geralmente vinda de objetos pontiagudos no solo como árvores e edifícios, ao conectar com a parte frontal do líder escalonado se transforma numa descarga de intensa luminosidade denominada descarga de retorno. A duração do líder escalonado é de aproximadamente 20 milissegundos sendo a luminosidade observada somente durante os últimos microssegundos através de câmeras de alta velocidade (Magono, 1980). Figura 1: Esquema ilustrativo do processo de descarga dentro de um relâmpago nuvem-solo negativo. O sistema óptico pode identificar a forma física das tempestades e das descargas atmosféricas. Um sistema de câmeras de vídeo pode identificar o tipo, a velocidade de propagação e a duração das tempestades bem como a multiplicidade e a ramificação das descargas atmosféricas. Uma câmera de vídeo comum captura cerca 30 quadros por segundo, taxa de captura suficiente para identificar as tempestades e as descargas múltiplas. Esta taxa pode identificar o canal e muitas vezes identificar a corrente contínua do mesmo. Eventos ocorridos em campanhas anteriores na FEI mostraram vários eventos seguidos por

5 corrente contínua (Gin et al., 2006; 2007; 2009). Estes eventos mostram tempestades com extensa camada de cargas, que podem ser classificadas como tempestades severas. A figura2 mostra um exemplo de relâmpago nuvem-solo, seguido de corrente contínua de longa duração, ocorrido no dia 13 de fevereiro de O relâmpago nuvem-solo foi registrado a 10 km da FEI e teve duração de aproximadamente 400 milissegundos. Este relâmpago apresentou polaridade positiva e intensidade de corrente da ordem de 100 ka. Em geral, as descargas de longa duração não apresentam ramificações associadas ao canal principal e a intensidade de corrente é da ordem de 20 ka. Assim, este evento ilustra a ocorrência de um caso atípico, comum nesta região. Figure 2. Seqüência de imagens do relâmpago nuvem-solo que ocorreu no dia 13 de fevereiro de 2008 a 10 km da FEI. A duração de 400 milissegundos, a ramificação e a alta intensidade de corrente deste evento, 100 ka, ilustra um caso atípico, comum nesta região. O sistema óptico quando está acoplado aos sensores elétricos podem também identificar mais informações sobre os eventos. A figura 3 ilustra a forma de onda do campo elétrico de uma descarga nuvem-solo (CG) e uma descarga intra-nuvem (IC) registradas no dia 17 de março de 2009 na FEI. Os transientes das descargas foram registrados pelos sensores ópticos e sensores elétricos, simultaneamente. Estes registros podem identificar se uma descarga nuvem-solo é múltipla, se apresenta corrente contínua e/ou ramificação. Estas

6 informações auxiliam na caracterização das tempestades e na identificação do fenômeno (Gin et al., 2005; 2006; 2009). IC CG (a) IC CG CG (b) Figura 3. Descarga atmosférica registrada pelo vídeo (a) e transiente das respectivas descargas registradas pelos sensores de campo elétrico (b), para a tempestade ocorrida no dia 17 de março de 2009 próximo à FEI.

7 Materiais e Métodos A pesquisa que estamos desenvolvendo aqui na FEI envolve várias técnicas de medição de tempestades e descargas atmosféricas. Neste projeto vamos utilizar as técnicas de monitoramento através de sensores ópticos. Estes sensores trazem informações sobre a própria estrutura física das tempestades e das descargas elétricas, bem como, auxilia a calibração dos sensores de campo elétrico desenvolvidos na FEI. Neste projeto iremos utilizar um sistema de câmeras panorâmicas para o monitoramento das tempestades. As câmeras panorâmicas são basicamente câmeras de vídeo, direcionadas para as tempestades, e que capturam imagens aproximadamente em 30 milissegundos. O objetivo destas câmeras é monitorar de forma contínua as tempestades. Este monitoramento nos permite identificar os principais tipos de tempestades e a freqüência com que estas ocorrem nesta região. Sete câmeras serão instaladas e sincronizadas para o monitoramento das tempestades em 360 graus. Um sistema de disparador de câmeras será desenvolvido neste projeto de forma a otimizar a captura e o armazenamento das informações. Posteriormente, estaremos analisando as imagens registradas, identificando as regiões de maior incidência de relâmpagos. Desta forma, o desafio deste projeto é dar continuidade ao monitoramento óptico continuo, com o objetivo de estudar as tempestades que ocorrem na região. O monitoramento óptico também auxilia o monitoramento elétrico da região já em operação na FEI. Atualmente já dispomos do material e das ferramentas computacionais necessárias para este projeto. O aluno já vem desenvolvendo a estrutura dos sensores ópticos e demonstra habilidade e interesse no desenvolvimento deste projeto. Como este projeto é inter_disciplinar, estaremos utilizando a infra-estrutura e os laboratórios dos departamentos de física e de elétrica da FEI.

8 Segue o cronograma de execução das principais atividades que serão desenvolvidas durante este projeto. Cronograma: Etapas \ meses Introdução à Eletricidade atmosférica Introdução a sistemas ópticos de medição Desenvolvimento do sistema de câmeras para monitoramento contínuo Participação no monitoramento óptico contínuo: Campanha Desenvolvimento do sistema de câmeras para monitoramento contínuo Redução de dados das campanhas Classificação e análise de eventos: Comparação dos resultados com outras técnicas Divulgação dos resultados Relatórios Referências Bibliográficas [1]Holle, R. L.; Cooper, M How to decrease today s lightning disabilities. In, International Conference On Atmospheric Electricity, 2000, Guntersville, Alabama, International Conference on Atmospheric Electricity, [2]Gourbiere,E. Lightning Injuries to humans in France. In, International Conference On Atmospheric Electricity, 1999, Guntersville, Alabama, International Conference on Atmospheric Electricity, [3]GIN, R. B. B. ; BENETI, C. A. A.. Tempestades Elétricas de grande impacto sobre o Estado de São Paulo: verão de In: Congresso brasileiro de Meteorologia, 2002, Foz do Iguaçu, [4]Gin, R.B.B., C.A.A. Beneti and A. J. Pereira Filho, Cloud-to-ground lightning flash density of South-Southeastern of Brazil. In: International Lightning Detection Conference, Tucson, USA, [5]Uman M. A. The Lightning Discharge. Orlando, Florida: Academic Press Inc p. (International Geophysics Series Vol.39)

9 [6]Magono, C. Thunderstoms. Amsterdan, Elsevier, 1980.(Development in Atmospheric Science, 12) [7]Gin, R.B.B., Pereira Filho A., Beneti, C.A.A., Long Continuing Luminosity of Cloudto-ground flashes observations by Video Camera. In GROUND'2006 & 2nd LPE Conference, Maceio, Brazil, [8]Gin, R.B.B., Williams, E. Beneti, C.A.A., Pereira Filho A. J., Kawano, M., Bianchi, R., Bellodi, M. The electrical and meteorological conditions in thunderstorms in the vicinity of São Bernardo do Campo, São Paulo. IN: VIII International symposium on lightning protection, São Paulo, Brazil, [9]Gin, R. B. B. ; Kawano, M. ; Beneti, C. A. A. ; Jusevicius, M. ; Pereira Filho, A.. Lightning flashes in flash flood events at metropolitan area of Sao Paulo: In: X SIPDA, 2009, Curitiba. X International Symposium on Lightning Protection. São paulo : Institute of Electrotechnics and Energy of the University of Sao Paulo, 2009 [10]Gin, R.B.B., Pereira Filho A., Beneti, C.A.A. ; Jusevicius, M.. Long continuing luminosity of positive cloud-to-ground flashes observations: a case study. In: Moca2009_IAMAS_IAPSO_IACS, 2009, Montreal. IAMAS_IAPSO_IACS2009. Montreal, 2009 [11]Gin, R.B.B., Pereira Filho A., Beneti, C.A.A.. Long continuing luminosity of cloud-toground flashes observations at urban area, Brazil. In: 13th international conference on Atmospheric Electricity, 2007, Beiijing. 13th International Conference on Atmospheric Electricity, 2007.

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