Introdução à Estrutura Atmosférica Parte 2. Ionosfera e Circuito Elétrico Global

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Carolina Eduarda Neves Barbosa
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1 Introdução à Estrutura Atmosférica Parte 2 Ionosfera e Circuito Elétrico Global

2 Ionosfera A ionosfera é uma região ionizada pela radiação solar e cósmica e também é conhecida como o eletrodo condutor superior do circuito global. O 2 e - O +

3 A Ionosfera Terrestre foi dividida em várias regiões conhecidas como: D, E e F (F1 e F2). As ondas de rádio foram utilizadas para detectar as camadas que refletiam as ondas que retornavam a Terra. A camada E foi a primeira a ser detectada, e o seu nome se deve a reflexão do campo elétrico proveniente das ondas de rádio;

4 Existe uma separação de regiões na ionosfera devido à: Energia solar depositada em várias alturas devido à absorção característica na atmosfera; Da física de recombinação que depende da densidade; Da composição da atmosfera que muda com a altura (a secçãotransversal vertical de absorção varia com a altura)

5 Concentração de Elétrons dn dt e q eff N e 2 Intensidade de Radiação df v N e ( z ) F dz q é a taxa de produção de elétrons, é o coeficiente de recombinação efetiva eff é a secção transversal de ionização v Ne concentração, cosseno do ângulo zenital

6 Processos de produção de Íons Foto-Ionização O 2 + hv O e < 1027 Angstron Carga-Troca N O 2 O N 2 Corona e Raio-X Inter-troca de átomos-ions N O NO + + N Corona e Raio-X Processos de Recombinação Recombinação Dissociativa O + hv O + + e (F1) < 911 Angstron O e O + O (E) NO + + e N + O Recombinação Radiativa O + + e O + hv Processo bem devagar Inter-troca de átomos-ions O + + O 2 O O O + + N 2 NO + + N e depois ocorre uma recombinaçao dissociativa O e O + O NO + + e N + O

7 Resultados da Teoria de Chapman

8 Propriedades Elétricas da Atmosfera abaixo da Ionosfera a)condição de Bom Tempo Fair Weather Na baixa atmosfera, ou Troposfera, temos um estado de quase equilíbrio eletrostático. As cargas se movem em regiões onde igualam o momento de carga que está sendo liberado pela região. Condições de bom tempo são definidas como condições atmosféricas sem a presença: tempestades, hidrometeoros, ventos de areias, vulcões ativos e etc. As condições de tempo bom podem existir na presença de nuvens, mas neste casa o campo elétrico tem que ser fraco, de forma a não gerar uma inversão de polaridade do campo elétrico sobre a superfície.

10 b) Visão Simplificada da Estrutura elétrica da Terra: Coulomb (1795) Modelo de capacitor esférico: Parte inferior: superfície terrestre; Parte externa: alta atmosfera altamente condutiva; Parte interna: O Ar dentro sendo o Dielétrico; Este capacitor esférico está carregado com ~ 5 x 10 4 C em cada camada. Uma vez que o dielétrico é um fraco condutor (AR no nossa caso), existe um vazamento de corrente que se propaga entre as duas camadas (pratos) do capacitor. Este vazamento de corrente poderia neutralizar a carga da superfície terrestre e da atmosfera em ~ 10 minutos

11 Em 1920, Wilson propôs que as tempestades seriam responsáveis pela produção da energia eletromagnética (EMF) e que elas alimentavam a corrente elétrica que carregava continuamente o capacitor ou seja, carga positiva movendo-se para cima e carga negativa para baixo. Neste modelo, as correntes negativas para baixo eram os raios. Dessa maneira, assume-se que os raios mantém a carga negativa sobre a superfície da terra. Esta distribuição de cargas, mantém o campo elétrico da atmosfera, ou seja, o campo elétrico de condições de bom tempo.

12 Em terrenos não montanhosos o Campo Elétrico tem valores de ~-100 V/m, direcionado para baixo. Sendo que o campo elétrico diminui com a altura a medida que a condutividade aumenta. De acordo com Gish (1944) o Campo Elétrico pode ser descrito como: Z(km) e E(V/m)

13 E(z) = -{ 81.8 e -4.52z e 0.375z e 0.121z }

14 Variações Diurnas e Sazonais das propriedade elétricas da baixa atmosfera: As expedições do barco Carnegie entre os anos de 1909 e 1921 realizaram medidas de campo elétrico e magnético em todos os oceanos Atlântico, e permitiu compreender as variações diurnas e sazonais de bom tempo Ao todos, esta embarcação percorreu ~ km em 7 cruzeiros e teve a sua ultima missão em , antes de um incêndio que destruiu o barco.

16 Análise Clássica do Circuito Elétrico Global Curva de Carnegie Area de Tempestades

17 Circuíto Elétrico Global Acredita-se que a maior parte da energia elétrica das tempestades é liberada na forma de relâmpagos. Tempestades modestas produzem algumas descargas elétricas por minuto e tem uma potência equivalente à gerada por um usina nuclear. Por exemplo, para um Raios temos: I = 30 ka E = 300 kv Potência = I x E = 30 x10 3 x 300 x10 3 = 9 x 10 9 W (VA) em 30 seg Uma usina nuclear média produz 500 MW = 5x10 8 W

Circuíto Elétrico Global A partir de análises de escala das Vannegut (1963) observou que a potência liberada por uma descarga elétrica era proporcional do tamanho da nuvem (e altura) a

18 Circuíto Elétrico Global A partir de análises de escala das Vannegut (1963) observou que a potência liberada por uma descarga elétrica era proporcional do tamanho da nuvem (e altura) a quinta potência Portanto, a duplicação das dimensões da nuvem eleva a potência liberada em 3 vezes. Tempestades elétricas enormes chegam a produzir 100 descargas atmosféricas por minuto.

19 Existem de 1000 a 2000 tempestades elétricas ativas em qualquer instante na Terra raios por segundo

21 Distribuição vertical da corrente

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