Teoria de eletrificação em nuvens

Transcrição

1 Capítulo 7- Tempestades

2 Teoria de eletrificação em nuvens As tempestades elétricas são nuvens que geram pelo menos 1 raio durante o seu ciclo de vida ou São nuvens que produzem pelo menos um reverso de polaridade no campo elétrico vertical tanto na superfície como na vertical

3 Características típicas da estrutura de cargas em tempestades: v 1 q r E = a 2 4πε r

4 ESTRUTURA ELÉTRICA

5 1800: cargas negativas dominam : especulações sobre dipólo elétrico 1752, Franklin Tempestades negativas

6 1940: Observações com balões indicam tripólos (Simpson e Scrase,1937 e Simpson e Robinson,1940) onde a base da nuvem era positiva.

7 Uman, 2001, The Lightning discharge

8 1980: Centro negativo na mesma região de temperatura Krehbiel et al, 1983

9 Hoje: Tripólo é exceção e não regra!

10 1 qz E z = 2πε + ( 2 2 x z ) 3

11 Teorias de carregamento devem explicar características básicas das tempestades: 1) Duração elétrica média de ~30 min para uma única célula convectiva; 2) Separação de cargas de vários milhões de Volts; 3) Carga deve estar concentrada entre as isotermas de -5 e -40 o C com um raio de ~2km;

12 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.

13 Teorias de eletrificação se dividem em duas grandes categorias: i) Processos de precipitação; ii) Hipótese de carregamento por convecção;

14 TEORIA DA PRECIPITAÇÃO É baseada nos processos de formação da precipitação: colisões entre as partículas!! (Julius Elster e Hans F. Geitel em 1885) Requerimentos: Presença de um Campo Elétrico (para polarizar); Colisões devem ser repelidas (sem coalescência); As cargas se separam de acordo com o tamanho das partículas ou temperaturas (para formar tripólo); A transferência de cargas durante a colisão deve ser rápida; Deve ser rápido o suficiente para gerar campo elétrico alto e um raio em ~20 min.

15 Dipolo Modelo de precipitação (esquerda) sugere que a gravidade induz o movimento descendente das gotas de chuva que são mais pesadas (granizo, e partículas de gelo como graupel). Consequentemente, elas colidem com as partículas menores de água e de gelo que estão suspensas e caem mais lentamente, formando assim a transferência de cargas positivas para as partículas menores e negativas para as mais pesadas. Williams, Earle R. "The electrification of thunderstorms." Scientific American259.5 (1988):

16 TEORIA DA CONVECÇÃO Grenet (1947), Vonnegut (1955, 1963), e Telford (1981) O Campo Elétrico de bom tempo não polariza Cargas provenientes de 2 fontes externas: ionosfera e sfc Não explica camada negativa em região persistente de temperatura!

17 E Q- Q+ IONOSFERA

18 Williams, Earle R. "The electrification of thunderstorms." Scientific American259.5 (1988): O Modelo de Convecção propõe que as correntes ascendentes de ar quente carregam cargas Positivas (liberadas pela superfície da terra) até o topo da nuvem. Já as cargas negativas, produzidas pelos raios cósmicos acima da nuvem, são atraídas para nuvem pelas cargas positivas que sobem. Assim as cargas negativas formam uma camada de blindagem no entorno da nuvem. Finalmente as correntes descendentes transportam as cargas negativas para baixo

19 Propriedades elétricas da água A água é uma molécula polar e tem momento de dipolo permanente ( p = 6.18 x cm). A cargas apresentam a seguinte configuração: Q+ nos núcleos de H e Q- no de O. A geometria molecular é angular e não linear. Se fosse linear, P = 0 O O fica na parte externa e o H na parte interna

20 Fonte:

21 Sob a ação de um Campo Elétrico, as moléculas se alinham e formam um dielétrico. Isto implica em uma redução do Campo Elétrico interno do hidrometeoro e um aumento fora dele. O - Dielétricos Condutores H + H + H + H + O -

22 Sob a ação de um campo elétrico temos que em um: Dielétrico: as cargas polarizadas se aglutinam Condutor: induz uma distribuição de carga na superfície O H + H O - H + H +

23 Processos de Eletrificação das Nuvens

24 Mecanismos de carregamento de cargas: Pode haver a existência ou não de um Campo Elétrico para polarizar os hidrometeoros: a) Mecanismo Indutivo: Sob a ação de um Campo Elétrico os hidrometeoros se polarizam. Um hidrometeoro não carregado inicialmente quando sob a ação de um campo elétrico, pode induzir cargas de polaridade oposta na superfície do hidrometeoro, logo o hidrometeoro torna-se polarizado.

25 b) Mecanismo Não Indutivo: não precisa de um Campo Elétrico; c) Mecanismo de Captura de Íons: Íons gasosos são capturados por hidrometeoros; Este processo pode distribuir sistematicamente as cargas de uma polaridade em diferentes regiões de uma tempestade. Logo, as regiões afetadas podem ter uma carga resultante sem a necessidade de ter movimentos adicionais no hidrometeoro.

26 d) Mecanismo Indutivo de Partícula-partícula: Interação a partir da colisão dos hidrometeoros ou a partir da quebra de hidrometeoros pequenos sob a superfície. Já que cargas iguais e opostas estão dispostas nos hidrometeoros, temos que a medida que as partículas interagem e se separam as regiões irão permanecer eletricamente neutras até que os hidrometeoros carregados negativamente começem a se mover dos que estão carregados positivamente. Para que este mecanismo se torne importante, as forças de gravidade e empuxo devem agir na eletrificação das tempestades, ou seja, esta hipótese propõe que os hidrometeoros tenham velocidades terminais de queda diferentes (se aproximando da teoria de precipitação).

27 Como a molécula de H 2 O tem um momento de dipolo permanente, um campo elétrico externo induz um alinhamento das moléculas. O alinhamento parcial no hidrometeoro causa um O alinhamento parcial no hidrometeoro causa um excesso de Q- na superfície de um lado e um excesso de Q+ no lado oposto da superfície ao longo da direção do campo elétrico. Quando isso ocorre a molécula é dita como polarizada e no caso da água temos um dielétrico polar.

28 E σ q = 3ε r E σ q = 0 O efeito de polarização é o de reduzir o campo elétrico dentro do hidrometeoro e aumentar fora dele, logo a densidade de carga σ q induzida na superfície de um condutor esférico sob a ação de um campo elétrico constante poder ser expressa como: σ = r 3ε cosθ E q E, r Onde θ E,r é o ângulo formado pelo vetor do campo elétrico a partir da superfície aonde se quer calcular e ε é a constante dielétrica.

29 Para um dielétrico temos σ ε 1 r = 3ε cosθ diel q E E, r ε diel + 2 Mas como ε dielétrico da água é elevada (x 80), gotas de água são comumente tratadas como condutores quando se considera a indução de cargas através da presença de uma força elétrica. Logo σ = qdieletrico σ qcondutor Se integrarmos a densidade de carga sobre um hemisfério, temos q = σ Area = σ dθdϕrdr q q q = r 3 E r πε 2

30 Efeito da Camada Elétrica Dupla Esta hipótese assume que existe uma Esta hipótese assume que existe uma camada elétrica dupla entre as interfaces da água e o ar, gelo e ar ou gelo e água:

31 De acordo com Fletcher (1962, 1968), temos que termodinamicamente as moléculas de água se orientam com seus vértices negativos para fora na superfície da água pura com o ar. Quando a separação de cargas ocorre entre as gotas, temos que na maioria das vezes, mais cargas da região externa da gota são removidas da camada dupla do que as internas. Consequentemente temos um excesso de cargas internas que está sendo deixada para trás após a colisão entre os hidrometeoros

32 Mecanismos que podem causar a separação de cargas nesta configuração: Bolhas de CO 2 no líquido ou no gelo. Uma bolha emerge para a superfície e se rompe, as gotículas que escapam levarão as cargas da parte mais externa da camada, deixando um excesso de cargas que residem na parte interior. Fricção entre 2 superfícies de gelo com diferentes propriedades. Se uma partícula retira mais cargas da camada superior do que da camada inferior da outra partícula, uma carga resultante poderá ser transferida da camada externa.

33 Efeito Termo-Elétrico: Na água, algumas moléculas se separam em Cátions H+ e Anions OH-. Como estes elementos tem diferentes mobilidades, eles terão diferentes taxas de difusão ao longo de um gradiente térmico. Portanto existirá uma separação de cargas de acordo com o gradiente de temperatura imposto na formação do cristal de gelo.

34 A mobilidade na fase líquida é muito pequena, porém no gelo a mobilidade do Cátion (H+) é muito maior que a do Anion. (OH-). Então se houver um gradiente de temperatura ao logo de um pedaço de gelo, os íons H+ se difundirão mais rápido para a parte mais fria do gelo, deixando uma resultante de cargas negativas na região mais quente. OH - H + Quente Frio

35 O efeito termo-elétrico no gelo é relativamente demorado quando se leva em consideração o tempo das colisões. Portanto, não é um fator dominante se as partículas trocarem cargas durante as colisões. Por outro lado podemos pensar como um processo de acoplamento, onde o efeito termo-elétrico é auxiliado pelas colisões. Por exemplo: Granizo coletando gotas de água super-resfriada e cristais de gelo; ou Granizo coletando gotas de água super-resfriada

36 a) Considere um granizo e ou um graupel caindo em uma nuvem com água super-resfriada e pequenos cristais de gelo

37 Durante a colisão do granizo com os cristais de gelo, a superfície do granizo estará mais quente que a dos cristais de gelo, porque temos a liberação de calor latente durante o congelamento das gotículas de água super-resfriada que colidem com o granizo.

38 Durante o tempo que o cristal colide e entra em contato com a superfície do granizo, o granizo se tornará carregado negativamente e o cristal positivamente (H+ migrarão para a parte mais fria). E quando os cristais de gelo deixam o granizo, eles irão reter as cargas positivas e se a velocidade terminal for menor que a velocidade da corrente ascendente do ar na nuvem eles serão transportados para a parte superior da nuvem. Já os granizos se tornam negativos e como têm velocidade terminal maior irão para a parte inferior da nuvem. Este processo pode levar a um carregamento da ordem de Este processo pode levar a um carregamento da ordem de 1C/km 3 min.

39 b) Assumindo granizo precipitando sobre gotículas de água super-resfriada.

40 Quando gotículas de água super-resfriada se congelam sobre a superfície do granizo, uma grande quantidade de lascas pequenas de gelo podem ser lançadas no ar. (conhecida como produção secundária de gelo)

41 Para o nosso exemplo de carregamento, considere que a gotícula de água super-resfriada ao colidir com o granizo está em uma segunda fase de congelamento sobre a superfície do gelo, logo aumentando a espessura para dentro. T ~ 0 T < 0 A parte interna da superfície desta casca está em contato com a água líquida, logo T ~ 0 o C e a externa está se resfriando com a temperatura ambiente, T 0 o C.

42 Conseqüentemente teremos um gradiente de temperatura alongo desta casca de gelo, o que pelo efeito termo-elétrico irá causar um aumento de Q+ na parte externa da superfície (mais fria) Então a medida que as lascas de gelo se quebram, predominantemente da parte externa da casca de gelo, elas irão carregar as cargas positivas e irão deixar para trás cargas negativas no granizo.

43 Deslocamentos das estruturas do gelo: Buracos, cavidades ou deslocamentos ( Calombos ) no gelo apresentam estruturas entrelaçadas e criam redes de cargas associadas às moléculas.

44 Estes buracos/calombos se movem no gelo e transportam cargas. A concentração destes calombos (água super-resfriada que se congela espontaneamente por contato) aumenta com a diminuição da temperatura.

45 Potencial de Contato: Processo análogo ao potencial de contato entre 2 metais, ou seja, diferença de potencial e fluxo de corrente entre dois metais. Sendo que neste caso, diferentes formações de gelo podem criar diferentes potenciais. Por exemplo, cristais de gelo formados por congelamento e não congelamento. Observações indicam que a superfície do gelo congelado (rimed) tem potencial de contato negativo relativo ao não congelado. A magnitude do potencial de contato aumenta com a diminuição da temperatura para ~ -20 o C e depois se mantém estável.

46 Camada Quase-Líquida Além da camada elétrica dupla, alguns pesquisadores tais como Faraday (1860) e mais recentemente Baker e Dash (1994) sugeriram que a interface entre gelo e ar é realmente uma camada quase-líquida, mas com característica típica de gelo. Analogia segue a seguinte fase de transição: Vapor Líquido Gelo

47 Baker e Dash estudaram a troca de massa (molécula de água) entre partículas com diferentes espessuras na camada quaselíquida. Partículas com camadas superficiais mais espessas devem ter massa para as partículas com uma camada superficial mais fina, ou seja, o transporte pode ser visto como: Temperatura Curvatura Talta Tbaixa Alta Baixa

48 Exemplo: 2 partículas com camadas quase-líquidas diferentes ou espessuras distintas colidem As diferentes espessuras da camada quase-líquida podem ter As diferentes espessuras da camada quase-líquida podem ter acontecido devido a forma de crescimento por deposição das partículas. Uma vez que ocorre colisão e separação, as partículas com camadas mais espessas perdem massa para as partículas que crescem mais devagar, deixando assim para as partículas que crescem mais rápido um excesso de cargas positivas (+).

49 Captura de Íons (Seletivo), Wilson 1929 A medida que os hidrometeoros precipitam em um ambiente com um Campo Elétrico, eles se tornam polarizados; E ao caírem em relação aos íons que se movem sob a influência do vento e do Campo Elétrico, alguns íons serão capturados e outros repelidos. Os íons de mesmo sinal, tais como na parte Os íons de mesmo sinal, tais como na parte inferior dos hidrometeoros serão repelidos, e os íons de sinal oposto seriam atraídos e capturados.

50 Capturado Repelido Capturado Para este mecanismo funcionar, o movimento dos íons associados ao Campo Elétrico tem que ser menor que a velocidade dos hidrometeoros. Se a velocidade de deriva dos íons for maior que a Velocidade terminal da partícula precipitante, os íons de mesma polaridade do que a parte inferior do hidrometeoro podem ser capturados na parte superior do hidrometeoro. Dessa maneira ambas as polaridades podem ser capturadas.

51 O valor máximo de carga que pode ser acumulado em um hidrometeoro, desde que a velocidade terminal do hidrometeoro seja maior que a velocidade de deriva dos íons, pode ser expressa por: q = 12πε E r max 2 onde ε é a permissividade elétrica da substância, e r é o raio da gota

52 Os hidrometeoros nas camadas de região negativa capturam íons (-), os quais tendem a aumentar a carga (-) nesta região de dipolo. As partículas da região superior positiva devem capturar íons positivos (+), uma vez que eles são carregados para cima pelas correntes ascendentes e os íons (+) são deslocados para baixo devido a velocidade de deriva.

53 Entretanto, nas Tempestades, como a concentração de íons é insuficiente para uma captura seletiva de íons, não temos uma contribuição substancial para o desenvolvimento do Campo Elétrico. Por outro lado, abaixo da base da nuvem a concentração de íons pode ser alta devido aos pontos de descarga.

54 Se os processos seletivos de captura de íons são considerados a partir das condições iniciais como as encontradas em bom tempo ( V/m), simulações numéricas sugerem que o campo elétrico pode chegar até ~ 10 kv/m, o que é muito pequeno quando comparado com medidas em tempestades (~ 100 kv/m). Este mecanismo é observado em nuvens eletrificadas fracamente, logo se conclui que não devem produzir relâmpagos.

55 Carregamento indutivo a partir de partículas que rebatem Este mecanismo também é conhecido como mecanismo indutivo de partícula-partícula. Este processo baseia-se em um grau de polarização prévia devido a existência de um Campo Elétrico ambiente. O grau de polarização é diretamente proporcional à força aplicada pelo campo elétrico.

56 A transferência de carga entre 2 hidrometeoros carregados é bem complicado, pois a indução de cargas em cada hidrometeoro é modificado com a aproximação de um outro hidrometeoro.

57 Em princípio as gotas de chuva ao colidirem com as gotículas de nuvem, transferem cargas da seguinte forma: (a) A partícula de nuvem (amarela negativa) recebe cargas positivas a partir da base da camada das partículas da chuva (b) A partícula que rebate carrega uma carga positiva resultante, ou o sinal da carga da base das partículas grandes;

58 Vários autores sugerem que o aumento de cargas nestas partículas pode ser descrito por: dq = 2 1 E R peq cos 4πεγ θ E, R + AQ grande BQ pequeno Termo Indutivo E = Magnitude do Campo Elétrico Ambiente θ E,R = Ângulo formado entre o vetor do E e o ponto de impacto na superfície da partícula grande Qpequeno carga da partícula pequena (carga já existente) Qgrande carga da partícula grande antes do impacto

59 A, B e γ são parâmetros de escala. A = 2 R peq γ 2 Rgrande 1 ; B = 2 2 R peq Rpeq 1 + γ γ 2 Rgrande Rgrande Rpeq/Rg de γ1 π 2 / π 2 /6 γ2 π 2 / γ em função de Rpeq/Rgde

60 Analisando a dependência angular. Ponto de impacto dq = 2 1 E R peq cos 4πεγ θ E, R + AQ grande BQ pequeno

61 Neste mecanismo indutivo temos uma dependência na separação das particulas após as colisões. Se existe coalescência, não há um aumento no E. Se o E aumenta, a polarização dos hidrometeoros cresce, o que favorece a separação de cargas. Neste sentido podemos questionar: Como a coalescência varia em funções de θ E,R?

62 A Coalescência aumenta com o ângulo. Então como isso pode afetar o aumento de dq? θ E,R Se diminui, existe uma baixa probabilidade de coalescência e uma alta probabilidade de separação. Se θ E,R aumenta, existe uma alta probabilidade de coalescência e baixa separação, ou seja, a probabilidade de separação de partículas decresce. dq dq

63 Condições para que o mecanismo indutivo seja eficiente: Partículas que colidem devem se separar; Tempo de contato entre as partículas que colidem dever ser longo o suficiente para que as cargas se transfiram de uma superfície a outra;

64 Os processos indutivos são somente considerados importantes para precipitações congeladas e com a presença de gotas super-resfriadas, ou seja, regiões com fase mista ativa (BWF) Nesta situação existe um Campo Elétrico significativo para que haja uma polarização. Aufderman e Johnson (1972) sugeriram que as colisões entre graupel e gotas em regiões com E 10 kv/m poderiam ser importantes para manter as tempestades eletrificadas (a cada ~ 1000 colisões somente de 1-10 rebatem). Resumidamente temos que o mecanismo indutivo deve agir para sustentar Campos Elétricos Altos, mas estes processos não agem para criá-los.

65 Mecanismo não indutivo Qualquer mecanismo que não requer uma polarização sob a ação de um Campo Elétrico pode ser considerado um mecanismo não indutivo.

66 Descrição empírica do mecanismo de graupel e gelo Medidas em laboratório de Takahashi, Saunders, Jayaratne, Avila, Reynolds mostraram que transferência de carga tem dependência com: a) polaridade das gotículas b) conteúdo de água líquida (LWC) c) tamanho e polaridade dos cristais de gelo; d) velocidade de impacto e; e) temperatura do ar quando elas colidem;

67 Takahashi (1978) encontrou que a magnitude e o sinal da carga depositada no graupel dependia da temperatura e do LWC, e o tamanho da gota liquida não tinha nenhum efeito quando o LWC era mantido constante.

68 Transferência de Cargas + Cargas - Mais tarde, Jayaratne et al. (1983) e Keith e Saunders (1990) mostraram que o carregamento também dependia do tamanho dos cristais de gelo que colidiam com o graupel, como da velocidade de impacto e das partículas contaminantes presentes nas gotas de água (CCN). Note que o aumento na taxa transferência de cargas por colisão diminui com o crescimento do cristal de gelo.

69 Avila e Pereyra (2000): Por fim, em estudo semelhante ao de Takahashi mas com controle do tamanho das gotículas (d) e dos cristais de gelo na câmara de nuvem, mostra que existe uma uma dependência com d das gotículas d = 15 µm d = 20 µm

70 Resultados de experimento em laboratório: Takahashi (1978), Saunders et al. (1991), Jayaratne (1983), Avila e Pereyra (2000). Resumo Takahashi: a) baixo LWC: graupel carrega (+) para todas T; b) alto LWC: graupel carrega (+) para todas T; c) médio LWC: graupel carrega (-) para T < -8 o C. Resumo Saunders: a) graupel carrega (+) ou (-) para qualquer T, depende do LWC.

71 Carregamento durante o derretimento Dinger e Gunn (1946) e Magono e Kiknch (1965) Em princípio o gelo fica carregado positivamente quando está derretendo. Pensa-se que a camada externa da película de água que estoura, carrega cargas negativas da dupla camada elétrica da água derretida. Isto implica que as partículas de gelo ficam com um excesso de Q+. A quantidade de carga adquirida durante o derretimento é maior quando há mais bolhas de CO 2. Entretanto, a quantidade e até mesmo a polaridade da carga transferida é dependente das impurezas presentes na água.

72 Outros mecanismos Os hidrometeoros líquidos ganham carga negativa durante o crescimento por condensação e positiva durante a evaporação. Neve adquire carga positiva quando cresce por congelamento e carga negativa quando sublima ou fica estável. Gotas de água que respingam (Efeito de Leonard, 1892; ou queda d água) tornam-se positivas e as pequenas que se rebatem ficam negativas. Obs: Nenhum destes efeitos consegue gerar cargas suficientes como as observadas em tempestades