Projeto de Iniciação Científica Centro Universitário da FEI Estudo das Descargas Atmosféricas através de uma Câmera Rápida Nome da orientadora: Rosangela Barreto Biasi Gin Depto: Física Nome do co-orientador: Reinaldo Bianchi Depto: Elétrica Nome do aluno: Thiago Augusto Lunardi No. 11.109.619-4 Início do projeto: Outubro de 2010 Término do projeto: Setembro de 2011 Duração: 12 meses
Resumo O estudo das descargas atmosféricas através de sensores ópticos traz informação sobre as principais características físicas dos relâmpagos. Estas informações quando acopladas à sensores de campo elétrico, informam a real condição das tempestades elétricas. O principal objetivo deste projeto é identificar todas as fases das descargas atmosféricas que ocorrem em São Bernardo do Campo. Um sistema de aquisição de imagens de alta velocidade capta a informação e identifica as características físicas e de propagação do evento. Este sistema irá complementar o monitoramento óptico contínuo desenvolvimento na FEI, estudando eventos específicos. Palavras-chave: 1. Tempestades severas 2. Descargas atmosféricas 3. Câmeras de Vídeo de alta velocidade Objetivo e justificativa O principal objetivo deste projeto é identificar as principais características físicas dos relâmpagos que ocorrem em São Bernardo do Campo. Este projeto visa monitorar as tempestades severas através de uma câmera rápida complementando as informações obtidas no monitoramento óptico e elétrico desenvolvido na FEI. Além disso, deve-se identificar as principais características de propagação de descargas artificiais em ambiente controlado. Este estudo mostra como as descargas se comportam nesta região e se existe alguma tendência de propagação. O Grande ABCD está entre as 20 primeiras posições das regiões que apresentam máximas densidades de descargas atmosféricas da região sul e sudeste do Brasil. Este alto índice de densidade, entre 6 e 10 relâmpagos por km 2 /ano, deve-se as condições meteorológicas e orográficas da região que favorecem à ocorrência de tempestades severas. Um grande número de pessoas tem sido atingidas por descargas
atmosféricas e o índice de enchentes nos últimos anos tem sido alto nesta região. As tempestades que estão associadas a relâmpagos de corrente continua, comuns em São Bernardo do Campo, estão associadas a enchentes. Desta forma, a proposta de desenvolvimento aqui apresentada vem contribuir com a comunidade não só no que tange a auxiliar o desenvolvimento tecnológico, pois este auxilia o desenvolvimento de sensores eletromagnéticos, como também auxiliar na identificação de tempestades severas que ocorrem numa região tão pouco estudada. Revisão bibliográfica Este projeto envolve o monitoramento de descargas atmosféricas através de um sistema óptico de alta velocidade. As descargas atmosféricas são fenômenos naturais que exibem grande fascínio pela sua beleza e pelo seu poder de destruição. Grande parte da população sofre com os efeitos diretos ou indiretos das descargas atmosféricas. Um estudo feito nos Estados Unidos e na França mostram que cerca de 100 pessoas são atingidas por ano por descargas atmosféricas sendo 10% destas vítimas fatais (Holle e Cooper, 2000; Gourbiere, 1999). No Brasil, ainda não se tem esta estatística. Estudos recentes mostram que mais de 20 pessoas foram atingidas diretamente durante o verão de 2001 na região da Capital Paulistana ( Gin et al., 2002). Desta forma, torna-se importante identificar o fenômeno. Relâmpagos são fenômenos naturais constituídos por uma sucessão descargas atmosféricas com duração da ordem de alguns segundos. As descargas podem ocorrem entre nuvens, entre a nuvem e o solo, entre a nuvem e a ionosfera e dentro da nuvem. Este último tipo é o mais freqüente. As descargas atmosféricas que iremos identificar são descargas do tipo nuvem-solo e intranuvem. As descargas nuvem-solo são na sua maioria descargas múltiplas com
polaridade negativa e apresentam intensidade média de corrente de 30 ka (Gin et al., 2000). A faixa de freqüência dessas descargas varia de 0,1 a 10 MHz e o campo eletrostático é da ordem de 1 a 10 4 V/m (Uman, 1987). Os relâmpagos nuvem-solo iniciam-se de um dos centros de carga da nuvem de tempestade por uma descarga de pouca intensidade luminosa denominada líder escalonado. Esta descarga descendente propaga-se em etapas discretas com velocidade média de 105 m/s, criando assim um canal ionizado (figura 1). Utilizando-se de registros fotográficos estima-se que o diâmetro do canal é de 1 a 10 metros. O líder escalonado pode ramificar-se e a tortuosidade dos ramos dá-se devido a descarga vagar em busca dos caminhos mais favoráveis a formação do canal. Os ramos têm extensão em torno de 50 metros e são separados por etapas com intervalos de 50 microssegundos. Tão logo a parte frontal do líder escalonado se estenda até aproximadamente 10 a 20 metros do solo, uma descarga ascendente denominada descarga conectante propaga-se em sua direção. Esta descarga geralmente vinda de objetos pontiagudos no solo como árvores e edifícios, ao conectar com a parte frontal do líder escalonado se transforma numa descarga de intensa luminosidade denominada descarga de retorno. A duração do líder escalonado é de aproximadamente 20 milissegundos sendo a luminosidade observada somente durante os últimos microssegundos através de câmeras de alta velocidade (Magono, 1980). Figura 1: Esquema ilustrativo do processo de descarga dentro de um relâmpago nuvem-solo negativo. O sistema óptico pode identificar a forma física das tempestades e das descargas atmosféricas. Um sistema de câmeras de vídeo pode identificar o tipo, a velocidade de propagação e a duração das tempestades bem como a multiplicidade e a ramificação das
descargas atmosféricas. Uma câmera de vídeo comum captura cerca 30 quadros por segundo, taxa de captura suficiente para identificar as tempestades e as descargas múltiplas. No entanto as câmeras comuns perdem o registro dos passos de formação das descargas que são importantes para identificar a ramificação e a tortuosidade do canal bem como, confirmar a presença de corrente contínua do relâmpago. Eventos ocorridos em campanhas anteriores na FEI mostraram vários eventos seguidos por corrente contínua (Gin et al., 2006; 2007; 2009). Estes eventos mostram tempestades com extensas camadas de cargas, que podem ser classificadas como tempestades severas. A figura 2 mostra um exemplo de relâmpago nuvem-solo, seguido de corrente contínua de longa duração, ocorrido no dia 13 de fevereiro de 2008. O relâmpago nuvem-solo foi registrado a 10 km da FEI e teve duração de aproximadamente 400 milissegundos. Este relâmpago apresentou polaridade positiva e intensidade de corrente da ordem de 100 ka. Em geral as descargas de longa duração não apresentam ramificações associadas ao canal principal e a intensidade de corrente é da ordem de 20 ka. Assim, este evento ilustra a ocorrência de um caso atípico, comum nesta região. Figura 2. Seqüência de imagem do relâmpago nuvem-solo que ocorreu no dia 13 de fevereiro de 2008 a 10 km da FEI. A duração de 400 milissegundos, a ramificação e a alta intensidade de corrente deste evento, 100 ka, ilustra um caso atípico, comum nesta região.
O sistema óptico quando está acoplado aos sensores elétricos podem também identificar mais informações sobre os eventos. A figura 3 ilustra a forma de onda do campo elétrico de uma descarga nuvem-solo (CG) e uma descarga intra-nuvem (IC) registradas no dia 17 de março de 2009 na FEI. Os transientes das descargas foram registrados pelos sensores ópticos e sensores elétricos, simultaneamente. Estes registros podem identificar se uma descarga nuvem-solo é múltipla, se apresenta corrente contínua e/ou ramificação. Estas informações auxiliam na caracterização das tempestades e na identificação do fenômeno (Gin et al., 2005; 2006; 2009). IC CG (a) IC CG CG (b) Figura 3. Descarga atmosférica registrada pelo vídeo (a) e transiente das respectivas descargas registradas pelos sensores de campo elétrico (b), para a tempestade ocorrida no dia 17 de março de 2009 próximo à FEI.
Materiais e Métodos A pesquisa que estamos desenvolvendo aqui na FEI envolve várias técnicas de medida de descargas atmosféricas. Neste projeto vamos utilizar a técnica de monitoramento óptico, através de uma câmera de alta velocidade, para identificar todas as fases de uma descarga atmosférica. Várias descargas atmosféricas seguidas de corrente contínua têm sido observadas nesta região. Assim, este projeto visa complementar o monitoramento óptico desenvolvido na FEI trazendo informação mais detalhada sobre a propagação e a estrutura física das descargas atmosféricas nesta região. Neste projeto iremos utilizar uma câmera rápida, Hi-Dcam II, já disponível na FEI. Esta é uma câmera de alta velocidade que captura imagens em até 16 mil quadros por segundo. A alta taxa de captura das imagens garante a aquisição de todas as fases do evento. No entanto, esta alta taxa de captura limita a quantidade de eventos capturados. Assim, precisamos criar um método para capturar e armazenar os eventos de interesse, adaptando o sistema atual para obtenção de uma maior quantidade de eventos. A câmera atual é operada via software e acionada manualmente. Desta forma, iremos desenvolver um disparador eletrônico que inicie a captura das imagens no momento e no setor desejado. Deve-se criar também um método para a transferência rápida dos dados com o intuito de otimizar o tempo entre os disparos. Estas adaptações serão necessárias para que a câmera não desperdice os eventos. Além da captura de imagem de descargas atmosféricas naturais iremos desenvolver um sistema de controle de temperatura e umidade para ser aplicado em um gerador de descargas artificiais. As imagens serão capturas em alta velocidade pela Hi Dcam, identificando o percurso escolhido pela descarga artificial em varias condições de temperatura e umidade. Este estudo complementa as informações de descargas naturais do Projeto Relâmpago identificando as principais características de propagação das descargas em ambiente controlado. O gerador de descargas artificiais já está disponível na FEI. Atualmente já dispomos do material e das ferramentas computacionais necessárias para este projeto. O aluno já vem desenvolvendo a estrutura dos sensores ópticos e demonstra habilidade e interesse no desenvolvimento deste projeto.
Como este projeto é inter_disciplinar, estaremos utilizando a infra-estrutura e os laboratórios dos departamentos de física e de elétrica da FEI. Segue o cronograma de execução das principais atividades que serão desenvolvidas durante este projeto. Cronograma: Etapas \ meses 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Introdução à Eletricidade atmosférica Introdução a sistemas ópticos de medição Desenvolvimento e aplicação do disparador da câmera rápida Desenvolvimento e aplicação da câmara de temperatura e umidade Participação no monitoramento óptico contínuo: Campanha 2010-2011 Redução de dados das campanhas Classificação e análise de eventos: Comparação dos resultados com outras técnicas Divulgação dos resultados Relatórios Referências Bibliográficas [1]Holle, R. L.; Cooper, M How to decrease today s lightning disabilities. In, International Conference On Atmospheric Electricity, 2000, Guntersville, Alabama, International Conference on Atmospheric Electricity, 2000. [2]Gourbiere,E. Lightning Injuries to humans in France. In, International Conference On Atmospheric Electricity, 1999, Guntersville, Alabama, International Conference on Atmospheric Electricity, 1999. [3]GIN, R. B. B. ; BENETI, C. A. A.. Tempestades Elétricas de grande impacto sobre o Estado de São Paulo: verão de 2001. In: Congresso brasileiro de Meteorologia, 2002, Foz do Iguaçu, 2002. [4]Gin, R.B.B., C.A.A. Beneti and A. J. Pereira Filho, Cloud-to-ground lightning flash density of South-Southeastern of Brazil. In: International Lightning Detection Conference, Tucson, USA, 2000.
[5]Uman M. A. The Lightning Discharge. Orlando, Florida: Academic Press Inc. 1987. 377p. (International Geophysics Series Vol.39) [6]Magono, C. Thunderstoms. Amsterdan, Elsevier, 1980.(Development in Atmospheric Science, 12) [7]Gin, R.B.B., Pereira Filho A., Beneti, C.A.A., Long Continuing Luminosity of Cloudto-ground flashes observations by Video Camera. In GROUND'2006 & 2nd LPE Conference, Maceio, Brazil, 2006. [8]Gin, R.B.B., Williams, E. Beneti, C.A.A., Pereira Filho A. J., Kawano, M., Bianchi, R., Bellodi, M. The electrical and meteorological conditions in thunderstorms in the vicinity of São Bernardo do Campo, São Paulo. IN: VIII International symposium on lightning protection, São Paulo, Brazil, 2005. [9]Gin, R. B. B. ; Kawano, M. ; Beneti, C. A. A. ; Jusevicius, M. ; Pereira Filho, A.. Lightning flashes in flash flood events at metropolitan area of Sao Paulo: 2008-2009. In: X SIPDA, 2009, Curitiba. X International Symposium on Lightning Protection. São paulo : Institute of Electrotechnics and Energy of the University of Sao Paulo, 2009 [10] Gin, R.B.B., Pereira Filho A., Beneti, C.A.A. ; Jusevicius, M.. Long continuing luminosity of positive cloud-to-ground flashes observations: a case study. In: Moca2009_IAMAS_IAPSO_IACS, 2009, Montreal. IAMAS_IAPSO_IACS2009. Montreal, 2009 [11] Gin, R.B.B., Pereira Filho A., Beneti, C.A.A.. Long continuing luminosity of cloudto-ground flashes observations at urban area, Brazil. In: 13th international conference on Atmospheric Electricity, 2007, Beiijing. 13th International Conference on Atmospheric Electricity, 2007.