AULA 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
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- Maria do Loreto Gonçalves Barreiro
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1 ACA0330 Introdução à Eletricidade Atmosférica AULA 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES Revisão de Física de Nuvens Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades Teorias de carregamento Teoria da Convecção Teoria da Precipitação Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 1
2 REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS Receita para a formação de Tempestades Ingredientes: Qual o ingrediente #1? Qual o ingrediente #2?. Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
3 REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS Receita para a formação de Tempestades Ingredientes: Vapor d água Núcleos de Condensação de Nuvem (e.g., aerossóis) Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
4 REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS Receita para a formação de Tempestades Ingredientes: Vapor d água Núcleos de Condensação de Nuvem (e.g., aerossóis) Instrumentos: Um mecanismo de levantamento de parcelas de ar: Quais????????????? Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
5 REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS Receita para a formação de Tempestades Ingredientes: Vapor d água Núcleos de Condensação de Nuvem (e.g., aerossóis) Instrumentos: Um mecanismo de levantamento de parcelas de ar: Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
6 Expande e resfria REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS Receita para a formação de Tempestades Modo de preparar: Fazer as Nuvens (condensação do vapor d água) 10 o C UR 100% 20 o C 30 o C Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
7 REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS Receita para a formação de Tempestades Modo de preparar: Fazer as Nuvens (condensação do vapor d água) Fazer partículas de gelo (gotículas, gotas, granizo, cristais de gelo) Como as gotículas crescem inicialmente? 1,5 km T = 10 o C Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
8 REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS Receita para a formação de Tempestades Modo de preparar: Fazer as Nuvens (condensação do vapor d água) Fazer partículas de gelo (gotículas, gotas, granizo, cristais de gelo) 4,5 km T = 0 o C Como as gotículas crescem até tamanhos grandes de gotas de chuva? 1,5 km T = 10 o C Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
9 REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS Receita para a formação de Tempestades Modo de preparar: 20 km T = -60 o C Fazer as Nuvens (condensação do vapor d água) Fazer partículas de gelo km T = -40 o C Quais são as partículas de gelo dentro da nuvem? graupel ou granizo pequenos cristais de gelo neve 4,5 km T = 0 o C 1,5 km T = 10 o C Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
10 REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS Receita para a formação de Tempestades Modo de preparar: 20 km T = -60 o C Fazer as Nuvens (condensação do vapor d água) Fazer partículas de gelo km T = -40 o C Como é formado o graupel? 4,5 km T = 0 o C = Como é formado o granizo? 1,5 km T = 10 o C = Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
11 REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS Receita para a formação de Tempestades Modo de preparar: 20 km T = -60 o C Fazer as Nuvens (condensação do vapor d água) Fazer partículas de gelo - cristais - graupel e granizo ( ) ( ) = 15 km T = -40 o C 4,5 km T = 0 o C 1,5 km T = 10 o C Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
12 REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS Receita para a formação de Tempestades Modo de preparar: 20 km T = -60 o C Fazer as Nuvens (condensação do vapor d água) Fazer partículas de gelo - cristais - graupel e granizo ( ) ( ) = 15 km T = -40 o C 4,5 km T = 0 o C 1,5 km T = 10 o C Corrente ascendente Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
13 REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS Receita para a formação de Tempestades Modo de preparar: 20 km T = -60 o C Fazer as Nuvens (condensação do vapor d água) Fazer partículas de gelo - cristais - graupel e granizo ( ) ( ) = 15 km T = -40 o C Fazer a eletrificação (colisões entre partículas de gelo) 4,5 km T = 0 o C 1,5 km T = 10 o C Corrente ascendente Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
14 REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS Receita para a formação de Tempestades Modo de preparar: 20 km T = -60 o C Fazer as Nuvens (condensação do vapor d água) Fazer partículas de gelo - cristais - graupel e granizo ( ) ( ) = 15 km T = -40 o C Fazer a eletrificação (colisões entre partículas de gelo) 4,5 km T = 0 o C 1,5 km T = 10 o C Corrente ascendente Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
15 REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS RESUMO PROCESSO DE INICIAÇÃO DE CHUVA EM NUVENS MISTAS (QUENTE E FRIAS): Crescimento por difusão de vapor, agregação, acreção e riming. Multiplicação (fragmentação). Crescimento por difusão de vapor Ativação de IN T=0 o C Crescimento por difusão de vapor e colisão-coalescência Crescimento por difusão de vapor Ativação de CCN 0, mm Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 15
16 quente frio Guardem bem na memória o que existe dentro de uma nuvem cumulonimbus: T = -60 o C REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS T = -40 o C T = 0 o C 4.5 km Vapor d água Corrente ascendente Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 16
17 ACA0330 Introdução à Eletricidade Atmosférica AULA 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES Revisão de Física de Nuvens Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades Teorias de carregamento Teoria da Convecção Teoria da Precipitação Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 17
18 Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades Observações ao longo dos anos: : cargas negativas dominam (Franklin, 1752) Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 18
19 Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades Observações ao longo dos anos: : cargas negativas dominam (Franklin, 1752) : especulações sobre dipólo elétrico (C. Wilson 1916, 1921, 1929) Medidas de variação do campo elétrico durante descargas elétricas Ganhou o Prêmio Nobel pela construção de câmara de nuvem Williams E.R. (2010): Origin and context of C.T.R. Wilson's ideas on electron runaway in thunderclouds, J. Geophys. Space Phys., doi: /2009ja Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 19
20 Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades Observações ao longo dos anos: : cargas negativas dominam (Franklin, 1752) : especulações sobre dipólo elétrico (C. Wilson 1916, 1920, 1929) 1940-hoje: Observações de tripólos c/ balões Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 20
21 Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades Observações ao longo dos anos: 1980: Centro negativo na mesma região de temperatura (entre 10 e 20 o C) Krehbiel, Paul R. (1986): The Electrical Structure of Thunderstorms. Ch. 8 in The Earth's Electrical Environment, National Academy Press, Washington. (link to Google Books) Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 21
22 Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades Observações ao longo dos anos: 1980: Centro negativo na mesma região de temperatura (entre 10 e 20 o C) 20 o C 10 o C Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 22
23 Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades Observações ao longo dos anos: 1990-hoje: Múltiplos centros de carga que evoluem durante o ciclo de vida da tempestade Stolzenburg, M., W.D. Rust, and T.C. Marshall (1998): Electrical Structure in Thunderstorm Convective Regions 3. Synthesis. J. Geophys. Res., 103, doi: /97jd03545 Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 23
24 Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades Observações ao longo dos anos: 1990-hoje: Múltiplos centros de carga que evoluem durante o ciclo de vida da tempestade Stolzenburg, M., W.D. Rust, and T.C. Marshall (1998): Electrical Structure in Thunderstorm Convective Regions 3. Synthesis. J. Geophys. Res., 103, doi: /97jd03545 Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 24
25 Courtesy of Ted Mansel (NOAA/NSSL) and Ken Cummins (Univ. of Arizona) Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 25
26 Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades Finalmente, as características típicas da estrutura elétrica de cargas em tempestades, são: 1) As cargas negativas usualmente se concentram na parte inferior das tempestades, tipicamente em 20 o C < T < 10 o C. 2) As cargas positivas estão situadas tipicamente acima da região de carga negativa. Além disso, evidências experimentais suportam que se concentram também na região superior das tempestades e na bigorna ( anvil ). 3) Diferentes polaridades de carga podem existir ao longo de uma região. 4) Perfis verticais de E z indicam mais do que 3 regiões de cargas (modelo tripólo). 5) Camadas de blindagem geralmente existem nas bordas das nuvens, em especial no topo das nuvens. 6) A maioria dos íons livres que são transportados para a base das nuvens, são produzidos/induzidos por corona/pontos de descarga tais como as árvores, a grama, as antenas e etc. 7) Em geral a chuva transporta cargas positivas para baixo da nuvem. As cargas de chuva próximas à superfície são afetadas significativamente pelos íons produzidos pelos pontos de descarga. Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 26
27 ACA0330 Introdução à Eletricidade Atmosférica AULA 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES Revisão de Física de Nuvens Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades Teorias de carregamento Teoria da Convecção Teoria da Precipitação Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 27
28 Teorias de carregamento Teorias de carregamento devem explicar as características elétricas das tempestades: 1) Duração elétrica (i.e., atividade de descargas) média de ~30 min para uma única célula convectiva; 2) Separação de cargas de vários milhões de Volts; 3) A carga elétrica deve estar concentrada entre -5 e -40 o C com um raio de ~2km; 4) Ter estrutura tripolar, com a carga negativa centrada entre os níveis de -10 e -20 o C; 5) Geração de cargas está associada ao processo de formação da precipitação; 6) Ter carga suficiente para haver uma descarga elétrica em ~20 minutos após o aparecimento de partículas da ordem de alguns milímetros. Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 28
29 Teorias de eletrificação se dividem em duas grandes categorias: Teorias de carregamento i. Hipótese de carregamento por convecção; ii. Processos de precipitação. Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 29
30 Teoria da CONVECÇÃO (Grenet, 1947; Vonnegut, 1953, 1955): Teorias de carregamento Está intimamente ligada à dinâmica geral do desenvolvimento da nuvem. a) Um campo elétrico normal de tempo bom estabelece uma concentração de íons positivos na baixa troposfera. Esses íons positivos são transportados para o interior da nuvem através das correntes ascendentes e são capturados pelos hidrometeoros, tornando a nuvem inicialmente carregada positivamente. Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 30
31 Teoria da CONVECÇÃO (Grenet, 1947; Vonnegut, 1953, 1955): Teorias de carregamento Está intimamente ligada à dinâmica geral do desenvolvimento da nuvem. b) Conforme a nuvem cresce, ela penetra em níveis mais altos na troposfera, onde os íons livres tem maior mobilidade (i.e, condutividade do ar é nauir). Esses íons são produzidos na ionosfera ou acima de 6 km de altura por radiação cósmica. A nuvem em ascensão e positivamente carregada atrái preferencialmente os íons livres negativos, tornando o topo da nuvem negativamente carregado, também conhecido como camada de blindagem. Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 31
32 Teoria da CONVECÇÃO (Grenet, 1947; Vonnegut, 1953, 1955): Teorias de carregamento Está intimamente ligada à dinâmica geral do desenvolvimento da nuvem. c) Os íons livres negativos da camada de blindagem são entranhados na lateral da nuvem e carregados para níveis mais baixos. O fluxo de carga positiva continua através da corrente ascendente, o fluxo de íons negativos para o interior da nuvem também continua, até que o campo elétrico na parte mais baixa da nuvem se torna forte o suficiente para induzir íons por efeito de corona no solo, aumentando ainda mais o fluxo de carga positiva para dentro da base da nuvem e gerando um aumento exponencial da polaridade da nuvem. Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 32
33 Teoria da CONVECÇÃO (Grenet, 1947; Vonnegut, 1953, 1955): Porém, há 2 (duas) falhas nessa teoria: Teorias de carregamento 1. o campo elétrico de tempo bom não consegue induzir uma quantidade de íons livres suficientes para intensificar o fluxo de íons positivos para o topo e de íons negativos para a base; 2. e não gera estrutura tripolar. Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 33
34 Teoria da PRECIPITAÇÃO é baseada nos processos de formação da precipitação nas tempestades: i.e., nas colisões entre os hidrometeoros!!! Teorias de carregamento Julius Elster e Hans F. Geitel em 1885 (vide Fricke and Schlegel 2017) Para explicar o carregamento elétrico de hidrometoros por colisões entre eles, essa teoria exige: Presença de um Campo Elétrico (pelo menos o de tempo-bom); Colisões devem ser repelidas (i.e, não podem se unir); Cargas devem ser segregadas de acordo com seus tamanhos ou temperatura no interior da nuvem (para formar uma estrutura tripolar); Transferência de cargas durante a colisão deve ser rápida; Todo o processo deve ser rápido o suficiente para gerar campo elétrico alto e raios em ~20 min. Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 34
35 quente frio Ou seja, a teoria da precipitação associa a transferência de carga à formação dos hidrometeoros: T = -60 o C Teorias de carregamento T = -40 o C T = 0 o C 4.5 km Vapor d água Corrente ascendente Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 35
36 quente frio Onde estão as isotermas de 10 o C e 20 o C? Teorias de carregamento T = -60 o C T = -40 o C T = 0 o C T = -20 o C T = -10 o C 4.5 km Vapor d água Corrente ascendente Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 36
37 quente frio Logo, qual hidrometeoro está associado com a região de 20 o C < T < 10 o C? T = -60 o C Teorias de carregamento T = -40 o C T = 0 o C T = -20 o C T = -10 o C 4.5 km Vapor d água Corrente ascendente Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 37
38 Teorias de carregamento Então, considerando todas as possíveis colisões entre hidrometeoros: líquido colidindo com líquido coalescência (não há separação física) líquido colidindo com gelo riming/acresção (não há separação física) Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 38
39 Teorias de carregamento Então, considerando todas as possíveis colisões entre hidrometeoros: gelo colidindo com gelo pode haver agregação (neve, não há separação física) gelo colidindo com gelo pode haver separação física! Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 39
40 Teorias de carregamento E a diferença de tamanho entre os hidrometeoros sólidos garantem a separação gravitacional das cargas transferidas e pelo menos a formação de um dipólo: 20 km 15 km T = -60 o C T = -40 o C 4,5 km T = 0 o C 20 o C 10 o C 1,5 km T = 10 o C Corrente ascendente Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 40
41 / / / / NOVO SITE DA DISCIPLINA: (deve estar logado na usa da Google) / / / / Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 41
42 / / / / REVISÃO DA AULA ANTERIOR Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 42
43 REVISÃO DA AULA ANTERIOR Observações ao longo dos anos: : cargas negativas dominam (Franklin, 1752) : especulações sobre dipólo elétrico (C. Wilson 1916, 1920, 1929) 1940-hoje: Observações de tripólos c/ balões Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 43
44 REVISÃO DA AULA ANTERIOR Observações ao longo dos anos: 1980: Centro negativo na mesma região de temperatura (entre 10 e 20 o C) Krehbiel, Paul R. (1986): The Electrical Structure of Thunderstorms. Ch. 8 in The Earth's Electrical Environment, National Academy Press, Washington. (link to Google Books) Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 44
45 REVISÃO DA AULA ANTERIOR Observações ao longo dos anos: 1990-hoje: Múltiplos centros de carga que evoluem durante o ciclo de vida da tempestade Stolzenburg, M., W.D. Rust, and T.C. Marshall (1998): Electrical Structure in Thunderstorm Convective Regions 3. Synthesis. J. Geophys. Res., 103, doi: /97jd03545 Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 45
46 REVISÃO DA AULA ANTERIOR Teorias de eletrificação se dividem em duas grandes categorias: i. Hipótese de carregamento por convecção; ii. Processos de precipitação. Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 46
47 REVISÃO DA AULA ANTERIOR Teoria da CONVECÇÃO (Grenet, 1947; Vonnegut, 1953, 1955): Porém, há 2 (duas) falhas nessa teoria: 1. o campo elétrico de tempo bom não consegue induzir uma quantidade de íons livres suficientes para intensificar o fluxo de íons positivos para o topo e de íons negativos para a base; 2. e não gera estrutura tripolar. Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 47
48 REVISÃO DA AULA ANTERIOR Teoria da PRECIPITAÇÃO é baseada nos processos de formação da precipitação nas tempestades: i.e., nas colisões entre os hidrometeoros!!! (Julius Elster e Hans F. Geitel em 1885) Para explicar o carregamento elétrico de hidrometoros por colisões entre eles, essa teoria exige: Presença de um Campo Elétrico (pelo menos o de tempo-bom); Colisões devem ser repelidas (i.e, não podem se unir); Cargas devem ser segregadas de acordo com seus tamanhos ou temperatura no interior da nuvem (para formar uma estrutura tripolar); Transferência de cargas durante a colisão deve ser rápida; Todo o processo deve ser rápido o suficiente para gerar campo elétrico alto e raios em ~20 min. Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 48
49 quente frio REVISÃO DA AULA ANTERIOR Logo, qual hidrometeoro está associado com a região de 20 o C < T < 10 o C? T = -60 o C T = -40 o C T = 0 o C T = -20 o C T = -10 o C 4.5 km Vapor d água Corrente ascendente Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 49
50 REVISÃO DA AULA ANTERIOR Então, considerando todas as possíveis colisões entre hidrometeoros: líquido colidindo com líquido coalescência (não há separação física) líquido colidindo com gelo riming/acresção (não há separação física) gelo colidindo com gelo pode haver agregação (neve, não há separação física) gelo colidindo com gelo pode haver separação física! Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 50
51 REVISÃO DA AULA ANTERIOR E a diferença de tamanho entre os hidrometeoros sólidos garantem a separação gravitacional das cargas transferidas e pelo menos a formação de um dipólo: 20 km 15 km T = -60 o C T = -40 o C 4,5 km T = 0 o C 20 o C 10 o C 1,5 km T = 10 o C Corrente ascendente Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 51
52 FIM DA REVISÃO DA AULA ANTERIOR / / / / Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 52
53 Teorias de carregamento Mas como a transferência de carga elétrica ocorre de uma partícula de gelo para outra partícula de gelo? As teorias* mais aceitas atualmente se baseiam na estrutura molecular e propriedades elétricas da água. * teorias porque ainda hoje é difícil fazer medições in-situ nas tempestades (ambiente hostil para instrumentação) e todas teorias são baseadas em experimentos de laboratório e experimentos numéricos. Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 53
54 Propriedades elétricas da água: Momento de dipólo permanente: A molécula de água possui um átomo de oxigênio (1 O 2 ) e dois átomos de hidrogênio (2 H ) separados por um ângulo de o que gera um momento de dipólo permanente de p = 6.18 x cm). Essa distribuição de elétrons e prótons implica em: Teorias de carregamento Um excesso de carga positiva nos núcleos de H (Q) e um excesso de cargas negativas nos núcleos de O 2- (Q) Q o Q Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 54
55 Camada Quase-Líquida (CQL) Microspociamente, na estrutura molecular do gelo temos: Íons de OH na interface gelo-ar (ou camada quase-líquida) Íons de H 3 O voltados para dentro da estrutura Teorias de carregamento Interface gelo-ar gelo Nelson, J., e M. Baker (2003): Charging of ice-vapor interfaces: applications to thunderstorms. Atmos. Chem. Phys., 3, (doi: /acp ). Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 55
56 Teorias de carregamento Macrospociamente, na interface gelo-ar temos: Uma camada dupla de íons, com os íons OH expostos na interface. Camada Quase-Líquida (CQL) (dimensões exageradas) gelo Camada Dupla Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 56
57 Teorias de carregamento A transferência de carga ocorre na CQL durante a colisão entre duas partículas de gelo: TEORIA DA PRECIPTIAÇÃO DE CARREGAMENTO NÃO- INDUTIVO (i.e., não há necessidade de ter um campo elétrico prévio) Durante a colisão entre um cristal menor com uma partícula de gelo maior (graupel, granizo), a energia cinética da colisão (pressão da ponta do cristal na superfície do graupel) faz com que haja derretimento parcial da CQL e então transferência de massa (com excesso de íons OH ) é feita de uma da partícula para outra. Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 57
58 Teorias de carregamento Por exemplo, considere a colisão entre um graupel e um pequeno cristal de gelo em um ambiente com conteúdo de água líquida MODERADO ( graupel mais quente que o cristal, sublima): Antes da colisão o cristal tem um excesso de OH na superfície. Durante a colisão, a ponta do cristal (com excesso de OH ) derrete e gruda no graupel, que após a colisão, essa massa congela no graupel, deixando o graupel agora com excesso de OH e o cristal com excesso de H 3 O. excesso de OH na CQL A massa do cristal (com excesso de OH ) congela no graupel CQL derrete (com excesso de OH ) Cristal fica com excesso de H 3 O Nelson, J., e M. Baker (2003): Charging of ice-vapor interfaces: applications to thunderstorms. Atmos. Chem. Phys., 3, (doi: /acp ). Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 58
59 Teorias de carregamento Agora considere a colisão entre um graupel e um pequeno cristal de gelo em um ambiente com POUCO conteúdo de água líquida (graupel tem pontinhas (frost) mais finas e o cristal): Durante a colisão, o frost irá derreter e transferir massa para cristal após a colisão, essa massa congela no ristal, deixando o cristal com excesso de OH e o graupel com excesso de H 3 O. O cristal também pode simplesmente quebrar o frost (que tem excesso de OH - ), deixando o graupel também com excesso de H 3 O. Nelson, J., e M. Baker (2003): Charging of ice-vapor interfaces: applications to thunderstorms. Atmos. Chem. Phys., 3, (doi: /acp ). Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 59
60 Teorias de carregamento Agora considere a colisão entre um graupel e um pequeno cristal de gelo em um ambiente com MUITO conteúdo de água líquida (tipicamente formando granizo crescimento molhado): Durante a colisão, o graupel já está molhado porque está crescendo por muita acresção ou riming (e tem excesso de OH na superfície) após a colisão, a camada molhada do graupel cede massa (com que tem excesso de OH - ), e o graupel fica com excesso de H 3 O e o cristal com excesso de OH. Nelson, J., e M. Baker (2003): Charging of ice-vapor interfaces: applications to thunderstorms. Atmos. Chem. Phys., 3, (doi: /acp ). Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 60
61 Teorias de carregamento Outra teoria (Baker and Dash, 1994; Dash et al., 2001), é que a partícula que está crescendo mais rápido, tem uma CQL mais espessa e então, após a colisão, cede massa para a partícula com CQL mais fina: Deposição, riming, acresção Sublimação Dash, J. G., B. L. Mason, J. S. Wettlaufer (2001): Theory of charge and mass transfer in ice-ice collisions. J. Atmos. Res., 106, (doi: /2001jd900109). Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 61
62 Ambas teorias corroboram com os resultados dos experimentos de laboratório: Manchester Lab Studies-Cloud Particle Imager Teorias de carregamento /methods/labstudies/manchester/particleimager/ Saunders, C. (2008): Charge Separation Mechanisms in Clouds. Space Sci. Rev., 137, (doi: /s ) Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 62
63 Teorias de carregamento Ambas teorias corroboram com os resultados dos experimentos de laboratório: Sinal da carga elétrica que o graupel ganha depois de colidir com cristais de gelo menores: Saunders, C. (2008): Charge Separation Mechanisms in Clouds. Space Sci. Rev., 137, (doi: /s ) Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 63
64 Ambas teorias corroboram com os resultados dos experimentos de laboratório: Takahashi (1978), Jayaratne (1983), Saunders et al. (1991), Avila e Pereyra (2000): Resumo Takahashi: alto LWC: graupel carrega () para todas T; médio LWC: graupel carrega (-) para T < -8 o C baixo LWC: graupel carrega () para todas T; Resumo Saunders: Teorias de carregamento graupel carrega () ou (-) para qualquer T, depende do LWC. Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 64
65 Ambas teorias corroboram com os resultados dos experimentos de laboratório: Williams et al. (1991): Teorias de carregamento Estado de crescimento relativo por difusão (Dash et al. 2001) vs resultados de Takahashi: alto LWC: crescimento molhado (forte acresção/riming), carrega () médio LWC: aquece por rimming (sublima), carrega (-) ; baixo LWC: deposição de vapor, carrega () Williams, E. R., R. Zhang, and J. Rydock, 1991: Mixed-Phase Microphysics and Cloud Electrification. J. Atmos. Sci., 48, , (doi: / (1991)048<2195:mpmace>2.0.co;2) Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 65
66 Na presença de campo elétrico forte, os íons da partícula de gelo podem se alinhar com o campo elétrico: TEORIA DA PRECIPTIAÇÃO DE CARREGAMENTO INDUTIVO (i.e., há necessidade de ter um campo elétrico prévio) Essa teoria foi elaborada antes da teoria do carregamento nãoindutivo, mas o campo elétrico de tempo-bom não consegue polarizar o gelo. Porém, após a nuvem ficar carregada pelo mecanismo não-indutivo e gerar um campo elétrico alto, o carregamento indutivo pode ocorrer: Sem Campo elétrico Teorias de carregamento Com Campo elétrico Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 66
67 Teorias de carregamento Outro mecanismo de carregamento é a CAPTURA DE ÍONS: Basicamente é a teoria da conveção Íons livre na atmosfera são trazidos para a atmosfera através de raios cósmicos As tempestades também induzem íons livres aumentando o campo elétrico ambiente: Efeito de corona ( efeito de pontas) Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 67
68 CAPTURA DE ÍONS IONOSFERA E
69 Finalmente, o carregamento elétrico das tempestades deve ser uma combinação de: Teorias de carregamento Processos não-indutivo: é o mais importante, sem ele não há campo elétrico forte o suficiente para gerar descargas É explicado pelas propriedades elétricas da água (CQL, camada dupla) e pelo estado de crescimento dos hidrometeoros Captura de íons (processo de convecção), importante para a camada de blindagem Processos indutivo (considerado o menos importante) Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 69
70 Teorias de carregamento captura de íons livres negativos RESUMINDO: Carregamento não-indutivo e captura de íons livres positivos Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 70
71 0 o C -10 o C -40 o C Mecanismos de eletrificação dos hidrometeoros e estrutura elétrica das tempestades o o Variável que controla a taxa de carga transferida: Corrente Ascendente! Conforme as correntes ascendente se intensificam: o água líquida é condensada em uma taxa muito maior o graupel é produzido em uma taxa maior o o o carga é gerada e advectada em uma taxa maior o potencial elétrico entre a nuvem e o solo aumenta raios nuvem-solo (CG cloud-to-ground lightning) e intra-nuvem (IC intra-cloud lightning) são produzidos à uma taxa maior - -
72 0 o C -10 o C -40 o C Mecanismos de eletrificação dos hidrometeoros e estrutura elétrica das tempestades o o Porém, se a corrente ascendente for muito forte: Hidrometeoros carregados são levados para muito longe da superfície: o a taxa de CGs diminui, e o a taxa de IC pode ficar extrema (> 1 raio IC por minuto!) -
73 Mecanismos de eletrificação dos hidrometeoros e estrutura elétrica das tempestades o Poalridade dos CGs: o o Os CGs podem ter polaridade negativa (CG) ou positiva (CG) dependendo de onde se originam dentro da nuvem. Em tempestades isoladas, a porcentade de CGs aumenta conforme a bigorna é cisalhada e conforme a precipitação cai/cessa (dissipação). Baixa %CGs CGs são freqüentes CGs são raros tripólo normal Alta %CGs CGs são freqüentes CGs são ocasionais tripólo inclinado Mais alta %CGs CGs são raros CGs são ocasionais tripólo inclinado estágio dissip. -40 o C o C 0 o C - -
74 Mecanismos de eletrificação dos hidrometeoros e estrutura elétrica das tempestades o Nos sistemas convectivos de mesoescala (complexos convectivos, linhas de instabilidade, etc.) são comuns: o CGs dominantes na região convectiva o o CGs dominantes na região da bigorna CGs dominantes na região estratiforme CGs CGs CGs o C -10 o C 0 o C Sistema Convectivo de Mesoescala
75 Mecanismos de eletrificação dos hidrometeoros e estrutura elétrica das tempestades Espessura Camada Líquida fina durante a estação de transição Sistema Convectivo de Mesoescala %CGs em Setembro de Albrecht (2008) e Albrecht et al. (2011) - CGs CGs Rutledge and MacGorman (1988)
76 Fluxo de Corrente em Tempestades: 1 Correntes a partir do topo da nuvem: 2 Corona ou ponto de descarga: 3 Correntes de Precipitação 4 Relâmpagos 5 Correntes de Maxwell Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 76
77 Correntes a partir do topo da nuvem: Em 1920, Wilson propôs que o Fluxo de corrente do topo das tempestades para a alta atmosfera adiciona corrente de bom tempo (circuito elétrico global). Este fluxo decorre da resposta dos íons pequenos que reagem a ação do Campo Elétrico da carga positiva resultante no topo da tempestade; Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 77
78 Corona ou ponto de descarga: Corrente de corona é produzida a partir da quebra ou ionização das moléculas de ar na presença de um Campo Elétrico alto. Geralmente ocorre próximo a pontos condutores debaixo de tempestades (grama, arvores, postes, antenas, etc.) Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 78
79 Correntes de Maxwell Krider e Massur, 1982, propõe o cálculo do fluxo total de corrente em tempestades a partir das medidas da densidade de corrente de Maxwell. Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 79
80 Referências Capítulo 3 de MacGorman D. e W. D. Rust, 1998: The Electrical Nature of Storm, Oxford University Press. Capítulo 3 de Rakov, V. A., 2016: Fundamentals of lightning. Cambridge University Press. Artigo de Saunders, C., 2008: Charge Separation Mechanisms in Clouds. Space Sci. Rev., 137, , doi: /s ARTIGOS CIENTÍFICOS CITADOS: Avila, E. E., and R. G. Pereyra, 2000: Charge Transfer During Crystal‐Graupel Collisions for Two Different Cloud Droplet Size Distributions. 27, Baker, M. B., and J. G. Dash, 1994: Mechanism of charge transfer between colliding ice particles in thunderstorms. J. Geophys. Res., 99, , doi: /93jd Dash, J. G., B. L. Mason, and J. S. Wettlaufer, 2001: Theory of charge and mass transfer in ice-ice collisions. J. Geophys. Res. Atmos., 106, , doi: /2001jd Emersic, C., and C. P. R. Saunders, 2010: Further laboratory investigations into the Relative Diffusional Growth Rate theory of thunderstorm electrification. Atmos. Res., 98, , doi: /j.atmosres Fricke, R. G. A., and K. Schlegel, 2017: Julius Elster and Hans Geitel Dioscuri of physics and pioneer investigators in atmospheric electricity. Hist. Geo. Space Sci., 8, 17, doi: /hgss Grenet, G., 1947: Essai d explication de la charge electrique des nuages d orages. Ann. Geophys., 3, Jayaratne, E., C. Saunders, and J. Hallett, 1983: Laboratory studies of the charging of soft-hail during ice crystal interactions. Q. J. R. Meteorol. Soc., 109, , doi: /smsqj Krehbiel, P. R., 1986: The Electrical Structure of Thunderstorms. The Earth s Electrical Environment, National Academies Press, Washington, D.C., p Nelson, J., and M. Baker, 2003: Charging of ice-vapor interfaces: Applications to thunderstorms. Atmos. Chem. Phys., 3, , doi: /acp Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 80
81 Referências Pereyra, R. G., E. E. Avila, N. E. Castellano, and C. P. R. Saunders, 2000: A laboratory study of graupel charging. J. Geophys. Res. Atmos., 105, , doi: /2000jd Saunders, C. P. R., and S. L. Peck, 1998: Laboratory studies of the influence of cloud droplet size on charge transfer during crystalgraupel collisions. J. Geophys. Res. Atmos., 103, , doi: /97jd Saunders, C. P. R., W. D. Keith, and R. P. Mitzeva, 1991: The effect of liquid water on thunderstorm charging. J. Geophys. Res., 96, 11007, doi: /91jd00970., H. Bax-norman, C. Emersic, E. E. Avila, and N. E. Castellano, 2006: Laboratory studies of the effect of cloud conditions on graupel/crystal charge transfer in thunderstorm electrification. Q. J. R. Meteorol. Soc., 132, , doi: /qj Stolzenburg, M., and W. Rust, 1998: Electrical structure in thunderstorm convective regions 3. Synthesis. J. Geophys. Res., 103, 14,097-14,108. Takahashi, T., 1978: Riming electrification as a charge generation mechanism in thunderstorms. J. Atmos. Sci., doi: / (1978)035<1536:reaacg>2.0.co;2. Takahashi, T., and K. Miyawaki, 2002: Reexamination of Riming Electrification in a Wind Tunnel. J. Atmos. Sci., 59, , doi: / (2002)059<1018:roreia>2.0.co;2. Vonnegut, B., 1953: Possible mechanism for the formation of thunderstorm electricity. Bull. Am. Meteorol. Soc., 34, 378., 1955: Possible mechanism for the formation of thunderstorm electricity. Proc. Conf. Atmos. Elec., Williams, E. R., 2010: Origin and context of C. T. R. Wilson s ideas on electron runaway in thunderclouds. J. Geophys. Res. Sp. Phys., 115, n/a-n/a, doi: /2009ja Williams, E. R., R. Zhang, and J. Rydock, 1991: Mixed-Phase Microphysics and Cloud Electrification. J. Atmos. Sci., 48, , doi: / (1991)048<2195:mpmace>2.0.co;2. Wilson, C. T. R., 1916: On Some Determinations of the Sign and Magnitude of Electric Discharges in Lightning Flashes. Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci., 92, , doi: /rspa , 1921: Investigations on Lightning Discharges and on the Electric Field of Thunderstorms. Philos. Trans. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci., 221, 73115, doi: /rsta Wilson, C. T. R., and Jacksonian, 1929: Some thundercloud problems. J. Franklin Inst., 208, 112, doi: /s (29) Aula 03 ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 81
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