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1 UNIVERSIDADE CATÓLICA DE BRASÍLIA PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO Curso de Física A FÍSICA DOS RELÂMPAGOS E DOS RAIOS Autor: Elaine dos Santos Silva Orientador: Prof. Dr. Sérgio Luiz Garavelli BRASÍLIA 2007

2 ELAINE DOS SANTOS SILVA A FÍSICA DOS RELÂMPAGOS E DOS RAIOS Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Católica de Brasília para obtenção do Grau de Licenciado em Física. Orientador: Dr. Sérgio Luiz Garavelli BRASÍLIA JUNHO DE 2007

3 A FÍSICA DOS RELÂMPAGOS E DOS RAIOS RESUMO Este trabalho tem como finalidade analisar os aspectos sobre a física envolvida na formação de nuvens de tempestades e relâmpagos, fenômenos surpreendentemente complexos e ainda pouco conhecidos, que por milhares de anos assustaram a humanidade e com os quais devemos ter alguns cuidados. Palavras-chave: descargas elétricas, raios, relâmpagos, trovões e nuvens cúmulo-nimbos. 1. INTRODUÇÃO Dos vários fenômenos da natureza, as tempestades com os raios, relâmpagos e trovões, são os que despertam maior interesse das pessoas, seja pelo fato de oferecer um belo espetáculo ou por simplesmente causar grades destruições. Desde os tempos mais remotos, as pessoas tentavam explicar esses fenômenos naturais, através de histórias que eram passadas de geração para geração. Um mito utilizado nas antigas civilizações, era que a ira e as manifestações negativas dos deuses, eram demonstradas através dos raios, relâmpagos e trovões, em noites de grandes tempestades. Até mesmo hoje é comum vermos em filmes de terror, a relação que é feita com as tempestades em cenas que demonstram mistério. Foi só a partir do século XVIII, com o experimento realizado pelo cientista norteamericano Benjamin Franklin ( ), que esses fenômenos passaram a ser explicados através de uma visão científica, pois até então pouco ou quase nada se sabia a respeito. O raio é uma demonstração natural de energia elétrica. Ele pode destruir construções, queimar árvore e matar animais, inclusive pessoas. Os raios representam descargas elétricas entre nuvens e o solo. Essa forte descarga de energia produz calor, luz (relâmpago) e som (trovão). Quando no interior das nuvens de tempestades, também conhecidas como cúmulonimbos, há excesso de cargas elétricas, tem-se a necessidade dessas cargas serem liberadas, essa liberação se dá através das conhecidas descargas elétricas. 2. REFERENCIAL TEÓRICO As cargas elétricas no interior das nuvens produzem campo elétrico, quando esse campo ultrapassa o valor de 3 milhões de volts por metro, que é o valor da intensidade do campo elétrico máximo no ar, dizemos que houve a ruptura da rigidez dielétrica do ar, logo o isolante tornou-se um condutor e como conseqüência ocorre a descarga elétrica. 2

4 Foi em 1752 que o pioneiro Benjamin Franklin conseguiu provar a natureza elétrica do relâmpago com o seu famoso experimento realizado com uma pipa (figura 1). O experimento foi realizado durante uma tempestade, onde ele empinou uma pipa, na qual estava pressa a um fio condutor, próxima a uma nuvem de tempestade. A carga que era induzida na pipa percorria o fio e provocava uma pequena descarga entre uma chave colocada na extremidade do fio e o seu braço. Na tentativa de reproduzir essa experiência muitas pessoas morreram nos anos seguintes. Figura 1: Experimento realizado por Benjamim Franklin em Fonte: 2.1 Rigidez Dielétrica Existem substâncias que têm os seus elétrons fortemente ligados ao núcleo de seus átomos e por isso eles não podem deslocar-se livremente pelo material, isso faz com que se torne difícil a condução de eletricidade. Estas substâncias são denominadas materiais isolantes ou dielétricos. Porém quando um campo elétrico é aplicado a uma destas substâncias uma força elétrica irá atrair os elétrons na tentativa de arrancá-los dos seus átomos. Dependendo da intensidade deste campo elétrico aplicado, o material isolante poderá tornar-se um condutor de eletricidade, pois todos os elétrons estariam livres devido ao 3

5 campo elétrico terem lhes arrancado do núcleo do átomo. Qualquer isolante poderá tornarse um condutor de eletricidade, o que irá determinar essa transformação será o valor do campo elétrico que será aplicado sobre ele. O maior valor do campo elétrico aplicado a um isolante, mas que não o deixe tornar-se um condutor é o fenômeno conhecido por rigidez dielétrica. Cada material possui uma rigidez diferente e a rigidez vai depender das condições da umidade relativa do ar, em se tratando do ar a rigidez dielétrica vale 3 milhões de volts por metro, e se no ar o campo elétrico exceder este limite, o material deixará de ser isolante para constituir-se um condutor. Analisando a situação apresentada na figura 2, podemos perceber que há duas placas metálicas paralelas e ligadas aos terminais de uma bateria, de uma voltagem muito grande. Entre a separação das placas há camada de ar, e à medida que a bateria é ligada irá se formar um campo elétrico, que por sua vez ao ultrapassar o valor da rigidez dielétrica do ar, os elétrons tornaram-se livres para movimentarem-se e as placas passaram a ser condutoras de eletricidade, e uma centelha elétrica saltará de uma placa eletrizada para a outra. Figura 2: Centelha elétrica saltando de um corpo eletrizado para outro próximo a ele. Fonte: 3. FORMAÇÃO DAS NUVENS As nuvens formam-se a partir da condensação do vapor de água presente em correntes de ar que se elevam na atmosfera. Quando pequenas partículas de ar que contém vapor são aquecidas próximas à superfície da terra, essa partícula irá se expandir e como 4

6 conseqüência a densidade diminui e isso fará com que ela suba. À medida que o vapor sobe encontra pequenas temperaturas, que faz com que ele se condense. Essa condensação do vapor de água, também recebe influência de pequenas partículas existentes no ar, principalmente a poeira. O processo de condensação é acompanhado da liberação de calor, ou seja, do aumento da densidade, conhecido por calor latente que aquece uma parcela de ar contribuindo assim para que ela suba. À medida que aumenta a altura, a temperatura varia, é a altura que determina quando a subida irá parar. Pode acontecer deste processo continuar até a tropopausa, onde o comportamento da temperatura muda de acordo com a altura, impedindo que o processo continue. É justamente aqui que o vapor condensado em gotas de água, juntamente com os diferentes tipos de partículas de gelo que se transformam, torna-se visível como sendo uma nuvem Nuvens de tempestades A maior parte dos relâmpagos ocorre em associação com nuvens de tempestades ou nuvens cúmulos-nimbos, embora outros tipos de nuvens, tais como estrato-cúmulos ou nimbo-estratos, também possam produzir relâmpagos ainda que raramente (PINTO e IARA, 1996). A diferença de uma nuvem de tempestade para as demais formas de nuvens e o seu tamanho, sua grande extensão vertical e por apresentar fortes correntes verticais de ar. Elas podem ser classificadas de em dois tipos diferentes: isoladas, conhecidas também como convectivas ou locais, em grupos, formando tempestades organizadas. As nuvens de tempestades em grupos costumam ser mais intensas, causando fortes chuvas de ventos e chuvas de granizo. A maneira como as nuvens de tempestades se forma depende de muitos fatores, principalmente da umidade do ar e da instabilidade da atmosfera, que é a variação de temperatura com a altura. A temperatura na atmosfera, a partir do solo diminui até certa altura, denominada como tropopausa. A altura da tropopausa depende principalmente da latitude geográfica, próximo ao equador, que está situada a cerca de 16 quilômetros de altura, em altas latitudes ela está por volta de 10 quilômetros. À medida que diminui a temperatura com a altura, mais estável fica a atmosfera. A atmosfera costuma ser considerada como instável quando a diminuição da temperatura que está relacionado com a altura for igual ou maior do que 6 graus Celsius por quilômetro. Só que isso depende do aquecimento solar, das características do revelo e das frentes frias. A nuvem de tempestade isolada tem uma duração média de uma a duas horas. Enquanto não há queda de água, ela passa por três fases diferentes, (desenvolvimento, maduro e dissipativo), cada uma dessas fases tem uma duração de 20 a 40 minutos. Uma nuvem de tempestade isolada tem a sua constituição a partir da união de pequenas nuvens 5

7 cúmulos (figura 3), que são nuvens brancas que vão se aglomerando até 1 quilômetro de altura e com extensão horizontal de poucas centenas de metros. Figura 3: Nuvens cúmulos largamente espalhadas. Fonte: Essa aglomeração de centenas de nuvens cúmulos, tem o seu desenvolvimento interrompido, não se transformando em uma nuvem de tempestade e desaparece sem apresentar relâmpagos. Mas se isso não acontece, ela continua o seu movimento ascendente ultrapassando o nível de congelamento, ou seja, a altura em que a temperatura é igual a zero grau Celsius. Temos então uma nuvem de tempestade em fase de desenvolvimento, conforme mostra a figura 4. Figura 4: Nuvens cúmulos em estágio avançado de crescimento. Fonte: Neste estágio a nuvem tem um diâmetro que varia entre 3 e 8 quilômetros e apresenta irregularidades devido as partículas de gelo. O ar que se movimenta dentro da nuvem é ascendente, arrastando gotículas de água e partículas de gelo para cima. No estágio maduro (figura 5), a nuvem de tempestade apresenta na parte inferior tanto movimentos ascendentes como descendentes. Os movimentos descendentes ocorrem devido às gotas de água e as das partículas de gelo que aumenta de tamanho não se 6

8 sustentarem. Neste estágio, os movimentos chegam a atingir velocidades de até 100 quilômetros por hora, e o diâmetro da nuvem é de 10 quilômetros, embora possa chegar em alguns casos até dezenas de quilômetros. A base da nuvem pode variar de 1 até 4 quilômetros, que depende da umidade, que costuma ser plana. O topo da nuvem pode atingir alturas de 8 a 20 quilômetros, alcançando e até mesmo ultrapassando em alguns casos a tropopausa. O topo também pode apresentar uma forma de alargamento em relação ao diâmetro da nuvem, por causa da influência dos ventos. Figura 5: Nuvens cúmulos em estágio maduro Fonte: É neste estágio que costumam ocorrer chuvas intensas e a maioria dos relâmpagos. Os relâmpagos da nuvem para o solo são em geral precedidos por relâmpagos dentro da nuvem e podem ocorrer tanto antes quanto depois do início da chuva. Medidas também têm mostrado que, quanto mais alto for o topo da nuvem, maior será em geral a freqüência de relâmpagos (PINTO e IARA, 1996). No estágio dissipativo o movimento do ar é quase que exclusivamente descendente, provocando um esfriamento da nuvem em relação a sua vizinhança. A altura do topo e o diâmetro da nuvem de tempestades neste estágio tendem a diminuir até que a nuvem seja completamente dissipada. As alturas atingidas pelo o topo das nuvens de tempestades nos diferentes estágios sofridos por ela, dependem principalmente da latitude geográfica. Em regiões de médias para altas latitudes (acima de cerca de 50 graus), o topo da nuvem de tempestade dificilmente passa dos 8 quilômetros de altitude, já em regiões de médias para baixas 7

9 latitudes (abaixo de 45 graus) o topo pode chegar a altitudes de 20 quilômetros ou até mais. Por volta de 50% dos casos o topo das nuvens de tempestades pode ultrapassar 15 quilômetros de altura Estrutura elétrica de uma nuvem de tempestade Segundo Pinto e Iara (Relâmpagos, 1996), como a estrutura elétrica de uma nuvem de tempestade é bastante complexa, ainda não há consenso sobre o fator responsável pela a eletrização das nuvens de tempestades. O que se sabe é que no interior da nuvem ocorrem processos tanto microfísicos como macrofísicos. Mesmo não havendo informações detalhadas, acredita-se que tanto dentro das nuvens isoladas quanto nas nuvens em grupo, a estrutura elétrica seja bem parecida. Com isso as cargas que são produzidas no interior das nuvens são as grandes responsáveis pela a origem dos relâmpagos, cargas essas que variam até no máximo duas centenas de coulombs. Em termos macrofísicos, os principais processos estão relacionados com a gravidade e a convecção. O processo gravitacional assume que a força da gravidade, influência nas diferentes partículas de gelo de diversos tamanhos. Assim partículas maiores tendem a permanecer na parte inferior da nuvem de tempestades, enquanto que as partículas menores tendem a permanecem na parte superior. Já no processo convectivo as correntes de ar ascendentes e descendentes dentro das nuvens são responsáveis por transportar as partículas. São as correntes de ar que deixam as partículas menores suspensas na parte superior da nuvem. Acredita-se que ambos os processos tenham sua importância no transporte de cargas dentro das nuvens de tempestade. Em termos microfísicos, o processo mais conhecido e consequentemente mais aceito é a teoria colisional. Esta teoria afirma que as colisões de partículas de gelo de diferentes tamanhos são responsáveis por haver transferências de cargas. Porém não se sabe sobre a importância do campo elétrico e da temperatura ambiente na colisão. Se durante o processo de colisão o campo elétrico atmosférico tem um papel fundamental na separação de cargas por meio da polarização de partículas grandes (como o granizo), o processo é indutivo. Se o campo elétrico é atmosférico descendente, a colisão entre as partículas menores, como cristais de gelo, na parte inferior do granizo irão transferir cargas positivas deste para os cristais (figura 6). 8

10 Figura 6: Processo indutivo de separação de cargas dentro das nuvens de tempestades. Disponível em: Relâmpagos. Ed. Brasiliense. Este processo foi o mais aceito durante muito tempo, mas tem sofrido sérias críticas nos últimos anos, devido a experimentos de laboratório indicar que a intensidade do campo elétrico atmosférico não é suficiente para que ele ocorra. Entre os processos não indutivos, o mais aceito é de natureza termoelétrica onde afirma que a polaridade da carga transferida durante uma colisão vai depender da temperatura local. Se essa temperatura for maior que a temperatura de inversão de carga, que está por volta de -15 graus Celsius, o granizo irá transferir uma carga negativa para o cristal de gelo, caso contrário, transferirá uma carga positiva. No passado vários processos foram sugeridos, entre eles que a separação de cargas ocorre devido ao tamanho das gotas de água em queda, ou ainda pode ocorrer durante a mudança de estado da água para o gelo. Outra sugestão foi que assumem que as cargas dentro das nuvens são geradas pela mera redistribuição das cargas contidas na atmosfera, sem a necessidade de considerar um processo microfísico, mas atualmente são menos aceitos. De forma simples essa distribuição pode ser descrita por uma estrutura tripolar conforme mostra a figura 7. Basicamente há dois centros principais de carga, um positivo relativamente espalhado na parte superior da nuvem e estendendo-se até próximo ao topo, e um negativo concentrado na forma de uma camada horizontal na região cuja temperatura está em torno de -10 graus Celsius. Há ainda um terceiro centro positivo menor próximo à base da nuvem. Não existe, no entanto, consenso sobre a origem deste centro positivo menor. Diferentemente dos centros maiores de carga, cuja origem, deve-se a processos que ocorrem no interior da nuvem de tempestade, o centro menor pode estar relacionado à captura pela nuvem de íons carregados positivamente da atmosfera abaixo dela. A carga elétrica típica dos centros principais está entre 20 e 30 coulombs e a carga do centro menor em torno de 7 coulombs. As alturas destes centros variam com a latitude geográfica, sendo maiores em regiões de baixas latitudes (PINTO e IARA, 1996). 9

11 Figura 7: Estrutura elétrica de uma nuvem de tempestade. Disponível em: Relâmpagos. Ed. Brasiliense. Além destes centros, em geral há finas camadas de cargas, formadas a partir da captura pela nuvem de íons da atmosfera, nas bordas superior e inferior da nuvem, denominadas camadas de blindagem. Estas camadas atuam de modo a blindar parcialmente a região externa da nuvem contra os campos internos. Dentro de uma nuvem tempestade o campo elétrico pode atingir valores tão intensos quanto 1 milhão de volts por metro. No solo, apesar de atenuado, este campo é ainda em torno de volts por metro, o que equivale a dez vezes o valor em regiões sem nuvens. A figura 8 ilustra as linhas de campo elétrico na atmosfera devida aos centros principais de carga contidos numa nuvem de tempestade. Em um dado ponto, o campo elétrico é tangente a estas linhas. Experimentos recentes utilizando balões que penetram as nuvens de tempestade medindo o campo elétrico gerado pelas cargas em seu interior têm mostrado, contudo, que estruturas elétricas mais complexas que a estrutura tripolar descrita anteriormente podem também existir. Tem-se verificado que diversos centros de carga podem existir dentro da nuvem de tempestade. Também há evidências de que a estrutura elétrica da nuvem possa se alterar ao longo de sua vida. Em particular, tem-se verificado que durante a fase dissipativa parte da carga negativa contida na nuvem pode ser carregada para fora dela pela chuva, alterando a estrutura elétrica da nuvem. Todavia, estas medidas devem ser consideradas preliminares, devido à possibilidade de representar condições locais dentro da nuvem não necessariamente aplicáveis à nuvem de tempestade como um todo. 10

12 Figura 8: Modelo das linhas de campo elétrico na atmosfera devido aos centros principais de carga contidas numa nuvem de tempestade. Disponível em: Relâmpagos. Ed. Brasiliense 4. RELÂMPAGOS De uma forma geral, os relâmpagos consistem de uma descarga elétrica transiente de elevada corrente elétrica através da atmosfera. Em geral, essas descargas são conseqüências das cargas elétricas acumuladas ( C) nas cúmulo-nimbos e ocorrem quando o campo elétrico excede localmente o isolamento dielétrico do ar (>3 milhões de volts por metro ) (MENDES e DOMINGUES, 2002). Os relâmpagos não ocorrem apenas nas nuvens de tempestades, eles também acontecem nas tempestades de neve, tempestades de areia, e nas erupções vulcânicas. Acontecem também na atmosfera, em explosões nucleares, no fundo dos oceanos e nos longos cabos condutores levados próximos as nuvens por foguetes ou aviões, porém esses relâmpagos são gerados artificialmente. Nesses últimos anos tem-se utilizado bastante este processo afim de estudos das características dos relâmpagos, que ajudam a prever o instante e o local provável de sua queda. No entanto os resultados obtidos através desse processo devem ser visto com bastante cuidado, pois se deve levar em consideração que os relâmpagos artificiais podem divergir dos relâmpagos naturais. Um relâmpago dura em média um terço do segundo, embora tenha sido notados valores variando de um a dois décimos de segundos. Dentro deste intervalo de tempo, a corrente elétrica sofre grandes variações, podendo ser atingidos picos de 30 mil ampères durante períodos menores que um décimo de milésimos de segundo. O resultado disto é a transferência ao longo do canal de uma carga elétrica com uma média de 20 coulombs. Em alguns casos, menos de 1% ultrapassa a corrente excede 200 mil ampères. Esta corrente passa por um canal com um diâmetro de poucos centímetros e um comprimento em média de 3 quilômetros, e a temperatura chega a atingir cerca de 30 mil graus Celsius, com valor igual a cinco vezes a temperatura na superfície do Sol, e a pressão, valores de 10 atmosferas, ou seja dez vezes a pressão atmosférica ao nível do mar. 11

13 4.1. Trovão Muita gente acha que o trovão é o barulho causado pelo choque entre nuvens. Esta idéia é errada e muito antiga. Lucrécio (98-55 a.c.) acreditava que tanto o raio como o trovão eram produzidos por colisões entre nuvens. Na verdade é o rápido aquecimento do ar pela corrente elétrica do raio que produz o trovão. Assim como uma corrente elétrica aquece a resistência de nossos aquecedores, a corrente do raio, ao passar pelo ar (que é um péssimo condutor), aquece-o e ele se expande com violência, produzindo um som intenso e grave. Nos primeiros metros a expansão ocorre com velocidade supersônica. Um trovão intenso pode chegar a 120 decibéis, ou seja, uma intensidade comparável à que ouve uma pessoa nas primeiras fileiras de um show de rock. (SABA, 2001). O estrondo produzido por descargas de eletricidade atmosférica, popularmente conhecida como trovão, é a onda sonora que apresenta uma energia máxima em freqüência por volta de 100 Hz. Grande parte da energia do relâmpago, em torno de 75%, é convertida em energia acústica e térmica. O trovão tem uma intensidade que depende da variação da corrente elétrica ao longo do canal, e o som ocorre mais próximo ao solo, por ser onde a corrente elétrica tem uma maior variação com o tempo. O tempo que dura o trovão, pode indicar o comprimento que tem o canal do relâmpago. Mesmo não sendo muito comum pode acontecer relâmpago que não venham acompanhados por trovoes, quando isto ocorre, acredita-se que seja devido à corrente elétrica do relâmpago não ser tão intensa e estar variando lentamente, de modo que o trovão, a onda sonora, não chega a ser formada. A uma distancia de 5 a 10 quilômetros do local onde se deu o relâmpago, o trovão pode ser escutado, contudo a distância superior a 20 quilômetros, se torna bem mais difícil escutar o trovão, pois se deve levar em consideração que alguns fatores como a temperatura do ar, o relevo do solo e os ventos podem influenciar. Geralmente o trovão que se origina dos relâmpagos e que se dirige para o solo atinge distancias bem menores. A diminuição da temperatura do ar com relação à altura contribui para que a trajetória do trovão siga uma curva voltada para cima, o que dificulta que ele seja escutado a grandes distâncias. Essa curvatura tende a diferir-se em direção oposta a do vento Tipos de relâmpagos A figura 9 mostra os diferentes tipos de relâmpagos existentes, que tem sua classificação determinada em função do local onde eles se originam e até onde terminam. Eles ocorrem da nuvem para o solo (parte a), do solo para a nuvem (parte b), dentro da nuvem (parte c), da nuvem para qualquer ponto da na atmosfera (parte d), denominados descargas no ar, entre as nuvens (parte e) e da nuvem para cima (parte f). 12

14 Figura 9: Diferentes tipos de relâmpagos. Disponível em: Relâmpagos. Ed. Brasiliense Dos diferentes tipos de relâmpagos mostrados na figura 9, os relâmpagos dentro das nuvens são os que ocorrem com mais freqüentes, isso se deve ao fato de a capacidade isolante do ar diminuir com a altura. Esses relâmpagos representam cerca de 80% da quantidade total de relâmpagos que ocorrem. Esta quantidade muda com a latitude geográfica da região, em torno de 90% acontece em regiões de baixas latitudes, próximas ao equador geográfico, e em torno de 50% em regiões de altas latitudes, perto dos pólos geográficos. Podem ser que ocorra essa mudança, devido ao fato que para baixas latitudes as cargas existentes no interior da nuvem estão em regiões mais altas. A quantidade de ocorrência de relâmpagos dentro das nuvens dependem também da umidade do local, pois quanto menor a umidade, maior será a altura da base das nuvens de tempestades, e consequentemente maior também será a quantidade de relâmpagos no interior das nuvens. Porém, como as nuvens não são tão transparentes, não é possível serem visto pelo o olho humano, a maioria dos relâmpagos que ocorrem dentro delas. Em casos muitos raros, alguns dos relâmpagos dentro da nuvem saem da mesma, mas logo em seguida entram novamente, permitindo rapidamente serem vistos. Dos outros tipos de relâmpago o que ocorre com mais freqüência é o relâmpago da nuvem para o solo (figura 10), os demais tipos são considerados raros. Os relâmpagos da nuvem para cima são pouco freqüentes, mas pesquisas recentes afirmam que não é tão raro o quanto se imaginava até poucos anos atrás. Eles costumam ser bastante ramificado, e só foram identificados sem nenhuma dúvida quanto a sua existência, nos últimos anos 13

15 através de observações feitas com ônibus espaciais e aviões. Pesquisadores acreditam que estes relâmpagos possam, em alguns casos, atingir a região altamente condutora que está localizada a 80 quilômetros de altura, que é a camada inferior da ionosfera. Figura 10: Relâmpago da nuvem para o solo. Fonte: Já os relâmpagos para um ponto qualquer da atmosfera também são bastante ramificados, conforme mostra a figura 11, ele tem uma característica que é percorrer grandes distâncias na atmosfera, chegando a ser centenas de quilômetros, inclusive no período de grandes tempestades. A figura 12 mostra um relâmpago do solo para a nuvem, eles geralmente ocorrem de grandes alturas com prédios e torres, e sua ramificação é em sentido oposto a sua trajetória. Figura 11: Relâmpago da nuvem para a atmosfera. Fonte : 14

16 Figura 12: Relâmpago do solo para a nuvem. Fonte: As ramificações independentes do tipo de relâmpago, sempre têm a mesma forma, que se parece com uma linha torta formada por um grande número de pequenos (50 metros de comprimento) segmentos retos. Em média, dois segmentos adjacentes formam um ângulo entre 10 e 20 graus. 5. RAIOS Raio é o caminho luminoso da descarga atmosférica, às vezes utilizada, mais formalmente, para designar uma descarga para o solo (MENDES e DOMINGUES, 2002). A energia eletromagnética produzida pelo raio, está numa faixa de freqüência que vai de algumas dezenas de hertz até o visível, sua intensidade máxima está por volta de 5 quilohertz. Mesmo sendo um valor pequeno, essa radiação é grande o suficiente para produzir vários fenômenos. Por exemplo, na faixa de algumas centenas de quilohertz até algumas centenas de megahertz, estas ondas acabam dando interferências em alguns aparelhos, principalmente em radio e televisão. A emissão de radiação na faixa do visível, de uma região de até 1 metro de diâmetro ao redor do canal, tem energia luminosa suficiente que daria para iluminar por volta de um minuto, uma cidade com uma população de aproximadamente 200 mil habitantes Voltagem, corrente e energia de um raio. Uma das características do raio é que em pouco tempo, por volta de 2 segundos, ele pode emitir várias descargas elétricas. Se várias descargas ocorrem em um curto período 15

17 de tempo, logo o tempo de duração de uma única descarga é muito menor, chegando a ser frações de milésimos de segundos. Um raio tem uma voltagem de 100 milhões a 1 bilhão de volts, já a sua corrente é suficientemente para fazer com que 30 mil lâmpadas de 100 W funcionem ao mesmo tempo, e em alguns casos a corrente do raio chega até 30 mil ampères. De toda a energia produzida pelo raio, apenas uma pequena parte dela é transformada em energia elétrica, a grande maioria desta energia é destinada para a luz que é emitida, no som e no calor produzido por ele. Mesmo o raio tendo valores elevados de corrente e voltagem, a sua duração é muito pequena, sendo assim a energia elétrica gasta por ele e em torno de 300 kwh, energia suficiente para apenas alimentar uma lâmpada de 100W por um período de 4 meses É possível utilizar a energia de um raio? Muitas pessoas acreditam que a energia elétrica produzida por um raio, poderia ser utilizada pelo o homem, porém essa crença é enganosa, pois grande parte da energia de um raio é transformada em energia térmica e em energia acústica. Ainda não se é possível aproveitar a energia de um raio, não existe nenhuma técnica para isso, pois se deve levar em consideração que não se tem certeza de onde eles irão cair, e para tentar capturá-los seria um gasto que não traria nenhum retorno, considerando que necessitaria de uma construção com grandes torres para capturá-los e armazenar essa energia. Como capturar e armazenar essa energia ainda não é possível, anda em estudos a possibilidade de tentar sugar a eletricidade das nuvens de tempestades através de raios laser, para um local onde fosse possível guardar essa energia Fases de um raio Um raio começa com pequenas descargas dentro da nuvem. Estas descargas liberam os elétrons que começarão seu caminho de descida em direção ao solo. Esse caminho de descida é tortuoso e truncado em passos de 50 metros, como que buscando o caminho mais fácil. Esta busca de uma conexão 8 com a terra é muito rápida (3x10 m/s) e pouco luminosa para ser visto a olho nu (SABA, 2001). 16

18 Figura 13: Fases de um raio. Fonte: A figura 13 mostra uma descarga elétrica liberada por uma nuvem de tempestade que é conhecida como líder escalonado. Quando o líder escalonado está a certa altura do solo, ele atrai uma outra descarga elétrica de carga oposta, chamada de descarga conectante. A união dessas duas cargas dá origem ao canal do raio, caminho esse que por ser ionizado é altamente condutor. A descarga de retorno, neste mesmo instante, dá-se então origem a uma grande potencia onde muita luz é liberada, temos então um raio Raio bola Como o próprio nome diz este raio tem forma de bola, com um tamanho que chega próximo de uma bola de ping-pong até de o de uma bola de praia. Ele tem uma cor amarelada que se aproxima do laranjado, sua intensidade luminosa é inferior a de uma lâmpada de 100 W, e tem um tempo de duração em torno de 15 segundos (figura 14). Figura 14: Raio bola. Fonte: 17

19 Embora haja indícios de que milhares de pessoas já tenham o visto, ele não costuma ocorrer com muita freqüência. Segundo relatos ele flutua no ar, a poucos centímetros do chão, e sua trajetória não seque exatamente a direção do vento, e ao final da exibição pode desaparecer de forma silenciosa ou com um estrondo de uma explosão. Até hoje não se tem medidas suficientes para comprovar as demasiadas teorias atribuídas para o raio bola, só se sabe até então que é um misterioso raio ainda não explicado pela ciência Acidentes com os raios Das mortes causadas por fenômenos naturais os relâmpagos são um dos principais, perdendo apenas para as enchentes. Mesmo não tendo um número preciso, estima-se que mais de mil pessoas no mundo sejam vítimas de relâmpagos por ano. A pessoa que é atingida por um relâmpago ou tem um contato direto com o objeto atingido, fica exposta a uma tensão de milhões de volts, e tem uma morte rápida devido ao choque elétrico e às queimaduras causadas pela corrente elétrica que passa por ela. Mas estes casos são raros, geralmente pessoas e animais são atingidos indiretamente, por estarem a uma distância menor que 100 metros, isto é, próximo ao local onde houve a queda do raio. Existem três formas indiretas das pessoas serem atingidas pelos os raios, através da descarga lateral, do potencial de passos e do potencial de toque. No caso da descarga lateral a pessoa pode ser atingida, mesmo não tendo contato com o objeto, pois estando próximo e devido à diferença de potencial a partir do objeto, a pessoa também receberá a descarga elétrica. O potencial de passo acontece por causa da corrente elétrica que circula devido ao potencial formado ao redor do local da queda do raio. Ocorre por causa do contato dos pés com o solo, e este solo, por sua vez terá diferentes potenciais elétricos devido à proximidade ao local da descarga. Logo quanto maior a distância entre os pés de uma pessoa, maior será a corrente elétrica que irá passar pelo corpo, o mesmo ocorre com os animais, porém em virtude da distância das patas dianteiras e traseiras, no caso de vacas, a corrente é maior causando a morte, pois a corrente elétrica passa pelo o coração. A pessoa que tem um contato direto com um objeto no instante que ele é atingido pelo o raio, não é submetida exatamente à descarga, mas por várias partes do corpo passará diferentes tensões elétricas, fenômeno conhecido por potencial de toque. O choque elétrico pode causar a morte através de uma parada cardíaca e pulmonar. Só que em alguns casos a morte é aparente e se a pessoa for atendida em questão de poucos minutos pode sobreviver. Se a vítima não está respirando, mas tem batimento 18

20 cardíaco, deve ser feita à respiração artificial boca-a-boca ministrada de dez a vinte minutos. Porém se o coração não está batendo deve-se precionar o peito da vítima com as mãos, uma vez a cada segundo ou até mais rápido. Caso não haja batimento cardíaco nem respiração, os dois processos têm que ser feitos de forma alternada. A pessoa que presta socorro não deve se preocupar com a carga elétrica, uma vez que não irão permanecer na pessoa atingida. Estima-se que todos os anos centenas de pessoas sobrevivem depois de serem atingidos indiretamente por raios, contudo em alguns casos ficam seqüelas graves como paralisia muscular, alterações mentais e problemas cardíacos. Estudos dos efeitos produzidos por radiações eletromagnéticas sobre o homem têm apontado que há evidências relacionando as radiações produzidas por linhas de transmissão com doenças como a leucemia, distúrbio no sistema nervoso e no sistema linfático. Porém estudos recentes do mesmo tipo realizado na Europa, não encontraram nenhuma evidência. Eles acreditam que os campos elétricos induzido no tecido humano são fortemente atenuados, devido à alta condutividade do tecido humano, pois os campos externos são muito inferiores aos existentes no tecido humano. Ainda não se tem um consenso sobre este assunto Incidência de Raios no Brasil O Brasil é o maior país localizado em região tropical. Segundo o geofísico Osmar Pinto Júnior esse é o motivo por termos tantas tempestades com raios, e devido o aquecimento global o número de descargas atmosféricas pode ser ainda maior. Na última semana de março deste ano o Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), divulgaram o novo ranking dos municípios brasileiros com a incidência de raios entre os anos de 2005 e Neste trabalho foram incluídos os estados do sul, sudeste, além do Mato Grosso do Sul e Goiás. A previsão é que o próximo trabalho seja divulgado em 2009, e eles esperam incluir os demais estados do centro-oeste e alguns estados do norte e do nordeste. Os dados abaixo mostram alguns municípios com maior incidência de descargas atmosféricas para cada estado onde a cobertura da rede brasileira de detecção atmosférica foi precisa segundo o ELAT. 19

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