Estrutura Elétrica das tempestades e Teorias de Carregamento

Estrutura Elétrica das tempestades e Teorias de Carregamento

P 1800: cargas negativas dominam P 1916-30: especulações sobre dipólo elétrico (Simpson e Wilson) 1752, Franklin Tempestades negativas Wilson: a chuva carrega as cargas negativas e deixa as cargas positivas na nuvem. Medidas dentro da nuvem indicam dipolo positivo. Simpson: Medidas na Índia, a chuva esta predominantemente carregada positivamente, A quebra das gotas de chuva cria o dipolo negativo (negativo sobre o positivo)

P 1940: Observações com balões indicam tripólos

Podemos aplicar a Lei de Gauss. E Assumimos somente Assumimos somente Componente vertical Componente vertical ^ E E k z Logo a variação vertical do campo indica a densidade de carga. de z dz de/dz > 0 Q > 0 de/dz < 0 Q < 0.

P 1980: Centro negativo na mesma região de temperatura Krehbiel, Paul R., "The Electrical Structure of Thunderstorms," Ch. 8 in The Earth's Electrical Environment, National Academy Press, Washington, 1986

Hoje: Tripólo é exceção e não a regra!

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Características típicas da estrutura de cargas em tempestades: 1 As cargas negativas usualmente se concentram na parte inferior das tempestades. Tipicamente em T > -25 o C e às vezes T > -10 o C. 2 As cargas positivas estão situadas tipicamente acima da região de carga negativa. Observações também indicam uma concentração na região superior das tempestades e na bigorna 3 Diferentes polaridades de carga podem existir ao longo de uma região.

4 Perfis verticais de Ez 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 pequenos introduzidos pela base das tempestades são produzidos por pontos de descarga tais como: arvores, grama, antenas e etc. 7 Em geral a chuva transporta cargas positivas para baixo da nuvem. As cargas da chuva que estão próximas da superfície são afetadas significativamente pelos íons produzidos pelos pontos de descarga.

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 -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 levar a ocorrência de uma descarga elétrica em ~20 minutos após o aparecimento de partículas da ordem de alguns milímetros.

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

TEORIA DA CONVECÇÃO Grenet (1947), Vonnegut (1955, 1963), e Telford (1981) P Não explica camada negativa em região persistente de temperatura!

O Modelo de Convecção (direita) propõe que as correntes ascendentes de ar quente, carregadas positivamente (liberadas pela superfície da terra), transportem cargas positivas até o topo da nuvem. Estas cargas positivas por sua vez atraem as cargas negativas produzidas pelos raios cósmicos, logo formando uma cama de blindagem. Posteriormente as correntes descendentes transportam as cargas negativas para baixo.

TEORIA DA PRECIPITAÇÃO É baseada nos processos de formação da precipitação: colisões entre as partículas!! (Julius Elster e Hans F. Geitel em 1885) Requerimentos: P Presença de um Campo Elétrico; P Colisões devem ser repelidas (não podem grudar); P Cargas devem ser segregadas de acordo com seus tamanhos ou temperaturas (para formar tripólo); P Transferência de cargas durante a colisão deve ser rápida; P Deve ser rápido o suficiente para gerar campo elétrico alto e raio em ~20 min.

Dipolo Modelo de precipitação (esquerda) sugere que a gravidade induz o movimento descendente das gotas de chuva que são mais pesadas (granizo, e particulas de gelo como graupel), logo elas colidem com as partículas menores de água e de gelo que estão suspensas e assim estabelecem a transferência de cargas positivas para as partículas menores e negativas para as mais pesadas.

Propriedades elétricas da água A água é uma molécula polar e tem um momento de dipolo permanente ( p = 6.18 x 10-30 cm), A distribuição de elétrons na molécula implica em: Q+ nos núcleos de H e Q- no de O 2. A geometria molecular é angular e não linear. Se fosse linear, P = 0 O vértice do O 2 sempre fica para fora

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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. Dielétricos Condutores

Logo com a ação de um campo elétrico temos: Em dielétricos: as cargas polarizadas se aglutinam Em condutores: induz uma distribuição de carga na superfície + + + + + + - - - - - - - - -

Como a molécula de H 2 O tem um momento de dipolo permanente, um campo elétrico externo induz um alinhamento das moléculas, apesar das agitações térmicas inibirem um perfeito alinhamento. Na gota de água, o alinhamento parcial 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 o alinhamento ocorre, a molécula é dita como polarizada. Assim, no caso da água, temos um dielétrico polar.

O efeito de polarização é o de reduzir o campo elétrico dentro do hidrometeoro e aumentar fora dele. Dessa maneira, a densidade de carga q induzida na superfície de um condutor esférico sob a ação de um campo elétrico constante poder ser expressa como: E,R 3 cos E q E, r E + + + + + + + + + - - - --- - -- Onde E,r é o ângulo formado pelo vetor do campo elétrico a partir da superfície aonde se quer calcular e é a constante dielétrica.

Para um dielétrico temos 1 diel 3 cos 2 diel E q E, r Mas como dielétrico da água é alta (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 Se integrarmos a densidade de carga sobre um hemisfério, temos Logo qdieletric o qcondutor q q Area q d d rdr q 3 E r 2

Mecanismos de carregamento de cargas: Os mecanismos de carregamento podem ocorrer na presença ou não de um Campo Elétrico para polarizar os hidrometeoros. Indutivo: requer a presença de um campo elétrico Não-Indutivo: não requer a presença de um campo elétrico

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. E,R E + + + + + + + + + - - - --- - --

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 do hidrometeoro.

d) Mecanismo Indutivo de partícula-partícula: Interação a partir da colisão de partículas/hidrometeoros ou a quebra do hidrometeoro (por exemplo: fragmento dos cristais de gelo) Uma vez que cargas iguais e opostas estão dispostas nos hidrometeoros, a medida que as partículas colidem e se separam, as regiões irão permanecer eletricamente neutras até que os hidrometeoros carregados negativamente comecem a se mover dos que estão carregados positivamente. Para que este mecanismo se torne importante as forças de gravidade e empuxo devem ser significativas. Para que isso ocorra, os hidrometeoros tem que ter diferentes velocidades terminais de queda (se aproximando da teoria de precipitação), ou seja, uma concentração de tamanho de gotas/cristais de gelo