DETERMINAÇÃO DE TEMPESTADES ATRAVÉS DA DETECÇÃO DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

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1 DETERMINAÇÃO DE TEMPESTADES ATRAVÉS DA DETECÇÃO DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 1 Allan Amâncio Esteves, Aridio Schiappacassa de Paiva, Rodrigo Luiz Sampaio RESUMO: A eletricidade atmosférica é um campo importante no estudo da Meteorologia. Seu conhecimento permite uma série de aplicações em diversas áreas de conhecimento, como as transmissões de rádio, a segurança da aviação na proteção de bens materiais e de vidas humanas, dentre outros. Este trabalho visa realizar uma revisão bibliográfica detalhada sobre o assunto, assim como, construir um experimento para a detecção das descargas elétricas. ABSTRACT: The study of Atmospheric Electricity is very important and it has a wide application in Meteorology and other science areas, such as the radio transmition, aviation security and also protection of materials and people. This presentation is based on a theoric revision and experimentation for lightning detection. PALAVRAS-CHAVE: descargas elétricas, tempestades INTRODUÇÃO O maior interesse é a busca de meios mais acessíveis para a detecção e previsão de tempestades, com um intervalo de tempo satisfatório, capaz de acompanhar a formação e o desenvolvimento de tempestades, já que a aquisição e a manutenção de radares Doppler são dispendiosas e as informações aos centros meteorológicos chegam com atrasos significativos. Será abordada uma revisão bibliográfica que servirá de base teórica para a construção do experimento. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Os estudos sobre a eletricidade na atmosfera começaram por volta do século XVI, com Benjamin Franklin e seu dispositivo de detecção de raios (o Sino de Franklin ), o qual era composto de dois sinos e um pêndulo entre eles (Benjamin Franklin, Wikipedia). 1 Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca CEFET/RJ Coordenadoria de Meteorologia Av. Maracanã, 229, Maracanã, Rio de Janeiro RJ, Brasil tel.: (r. 163); distant.thunder88@gmail.com - rodrigo.fashion@gmail.com -aridio@cefet-rj.br

2 Quando uma tempestade se aproximava, os sinos se eletrizavam e o pêndulo, induzido pelos sinos, tocava-os, alertando Franklin de uma tempestade. Outro experimento foi a Garrafa de Leyden, que consistiu no primeiro capacitor a ser construído na História (CALÇADA, Física Clássica vol. 5).Este dispositivo era descarregado tocando-se seu interior e seu exterior simultaneamente, causando um choque elétrico na pessoa. O Químico britânico Michael Faraday foi quem aprofundou os estudos sobre a eletricidade, mostrando que se pode gerar eletricidade de diferentes maneiras (por exemplo, através de reações químicas, Pilha de Volta). Além disto, ele descobriu a indução magnética (SURWAY, Raymond A; JEWETT, John W. Jr.; Princípios da Física, vol. 3). Posteriormente, Heinrich Rudolf Hertz investigou inúmeras propriedades das ondas, em especial as eletromagnéticas. Entre estas, destaca-se o efeito fotoelétrico, no qual elétrons são emitidos de superfícies quando nestas incide luz. Este fenômeno iniciou as discussões sobre o quanta, fundando a Física Moderna (SURWAY, Raymond A; JEWETT, John W. Jr.; Princípios da Física, vol. 4). Eletrização atmosférica: Vários fenômenos criam uma distribuição de cargas na atmosfera, tais como raios cósmicos que penetram na atmosfera, decaimentos radioativos na superfície, erupções vulcânicas, correntes convectivas, entre outros (SILVA, Mario Adelmo Varejão; Meteorologia e Climatologia). A eletrização nas nuvens, alvo deste estudo, ocorre num complexo convectivo. O ciclo de desenvolvimento deste conjunto é dividido em: estágio de cúmulus, de maturidade e de dissipação (RIEHL, Herbert; Meteorologia Tropical). O estágio inicial, a célula é um simples cúmulus em crescimento, devido às acentuadas correntes convectivas ascendentes. Ainda não há precipitação (SILVA, Mario Adelmo Varejão; Meteorologia e Climatologia). No ápice de evolução deste estágio, nota-se a presença de fracas correntes descendentes. Neste momento, as gotículas de água em ascensão chocam-se com as crescentes gotas, e cristais de gelo, da corrente descendente. Estes choques forçam a retirada de elétrons das gotas menores, iniciando o processo de eletrização da nuvem (SILVA, Mario Adelmo Varejão; Meteorologia e Climatologia). Ao longo desta eletrização, há um acúmulo de cargas na nuvem. Geralmente a base da nuvem fica eletrizada negativamente, enquanto seu topo se apresenta positivo. Porém, em alguns casos, o pólo negativo da nuvem cede elétrons para a atmosfera, apresentando, assim, algumas cargas positivas em sua base. Nesta fase, já se observam descargas elétricas, em alguns casos.

3 O início do estágio maduro se dá quando a precipitação atinge a superfície. Este estágio, em geral, é denunciado pelo clímax das descargas elétricas (SILVA, Mario Adelmo Varejão; Meteorologia e Climatologia). Na fase de dissipação, a intensidade da precipitação diminui e os raios já são menos freqüentes. O topo do cumulunimbus apresenta aspecto cirroso e predominam as correntes subsidentes (SILVA, Mario Adelmo Varejão; Meteorologia e Climatologia). Imediatamente antes da descarga elétrica, o gradiente de potencial elétrico é da ordem de 30V/m. Outra forma de eletrização da atmosfera consiste na aceleração de elétrons livres por um forte campo elétrico. Estes elétrons livres, chocam-se com as moléculas do ar e as ionizam (SURWAY, Raymond A; JEWETT, John W. Jr.; Princípios da Física, vol. 3). Com isto, aumenta o número de partículas negativas no ar que serão aceleradas, estas podendo ter energia suficiente para eletrizar outras moléculas, criando, assim, um mecanismo veloz de acumulação de cargas na atmosfera. Porém esta carga não é tão grande quanto a de um cumulonimbus. Modelo do capacitor: Para descrever o experimento, será utilizado um modelo com a existência de um capacitor na atmosfera terrestre. Este capacitor é formado pelo dipolo existente entre a(s) nuvem(ns) em uma tempestade e o solo, já citados anteriormente. Experimentos mostram que a altura ideal da placa superior do capacitor é de aproximadamente 500 km, que é a faixa da atmosfera mais ionizável (SURWAY, Raymond A; JEWETT, John W. Jr.; Princípios da Física, vol. 3). É válido lembrar que o ar atmosférico constitui-se de um poderoso dielétrico, em que a constante dielétrica vale 1,00059 e sua rigidez dielétrica é de V/m (TIPLER, Paul A; Física, volume 2). Os efeitos deste dielétrico considerando uma atmosfera já ionizada, faz com que a distribuição aleatória dos íons, presente na ausência de campo elétrico, seja substituído por um sistema homogêneo de cargas direcionadas cada uma ao seu pólo oposto. A base das nuvens, com o solo, cria um campo elétrico, induzindo as cargas a se polarizarem, o que gera um novo campo elétrico, que anula o primeiro. Quando a diferença de potencial criada pelas cargas nas nuvens rompe a rigidez dielétrica do ar, ocorre o raio. Porém antes deste fato o campo elétrico gerado na atmosfera atinge valores suficientemente altos para serem detectados, na ordem de kv/m

4 MATERIAL E MÉTODOS Neste experimento, serão utilizados rolos de papel alumínio para revestir duas folhas de papel cartão de 40 cm x 20 cm. Para separar as placas, serão utilizadas quatro garrafas PET de 20 cm de altura, sendo esta altura a referência para as medições. Tais medições seriam efetuadas através de um Multímetro Minimpa, da série ET 1501, além das pontas de provas, que serão conectadas às placas. O aparelho será montado da seguinte forma: As folhas de papel cartão serão revestidas com papel alumínio e serão dispostas paralelamente, separadas pelas garrafas PET. O Multímetro será conectado através das garras às placas, sendo a placa inferior aterrada. A medição da diferença de potencial será instantaneamente lida através do aparelho, sendo registrada a média em 1 minuto. Esta diferença de potencial estará diretamente relacionada ao campo elétrico, devido à distância padrão utilizada. Conclusões do Experimento: Foi observado durante os experimentos que o campo elétrico da atmosfera permaneceu na media entre 4 e 5 mv, quando a umidade era relativamente alta (cerca de 70% de umidade relativa do ar). Notou-se que a umidade altera significativamente a capacidade de ionização do ar, o que foi comprovado com a medida de 0V para o campo elétrico na atmosfera, quando a umidade relativa era de apenas 40%. Outro fato interessante foi a influência da radiação solar, que aumentou razoavelmente o campo medido na atmosfera (que ficou entre 40 e 50 mv, com a iminente chegada de uma frente, e 6 mv em situação normal). Porém, este fato pode ser facilmente explicado pelo Efeito Fotoelétrico.Tal efeito ocorre quando a radiação eletromagnética incidente em um material fornece

5 uma quantidade de energia suficiente para que elétrons sejam expulsos dos átomos do material (SURWAY, Raymond A; JEWETT, John W. Jr.; Princípios da Física, Editora Thompson vol. 4). CONCLUSÕES O aparelho idealizado no experimento, mostrou-se uma ferramenta com alto potencial de confiabilidade.com este, esperamos prever a ocorrência de fenômenos de mesoescala significativos, em especial as tempestades, já que este previu bem entradas de sistemas frontais com grande atividade convectiva, com uma antecedência de pelo menos 15 a 20 minutos, o que seria suficiente para a divulgação de alertas. Além disto, o aparelho pode ser montado a um custo bem inferior, mesmo utilizando materiais de qualidade (a um custo estimado de R$ 200 reais),mostrando-se ser uma ferramenta bem mais acessível que os radares meteorológicos e com uma boa confiabilidade. BIBLIOGRAFIA: SURWAY, Raymond A; JEWETT, John W. Jr.; Princípios da Física, Editora Thompson volumes 3 e 4, terceira edição TIPLER, Paul A; Física volumes 1, 2 e 3, The Berklee University, quarta edição. CROSKEY, Charles L. et al; Middle Atmosphere Electrodynamics during a Thunderstorm, The Pennsylvania State University,1996 HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; KRANNE, Física 3 e Física 4, Editora LTC, quinta edição. SILVA, Mario Adelmo Varejão; Meteorologia e Climatologia; Versão digital 2,INMET 2006 YAVORSKI, B. M.; DETLAF, A. A; Prontuário de Física, Editora MIR Moscow NUSSENVEIG, Moysés H; Curso Básico de Física volume 3, editora Edgard Blütcher ALONSO, Marcelo; FINN, Edward J.; Física 2, editora Edgard Blütcher; 1970 RINDAT-Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas ELAT/INPE- Grupo de Eletricidade Atmosférica/ Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais GHCC/NASA- Global Hidrology and Climate Centre/ National Agency for Space Admnistration RIEHL, Herbert; Meteorologia Tropical; Tradução, Rio de Janeiro, 1965