Relâmpagos e Meio Ambiente

RELÂMPAGOS E MEIO AMBIENTE
Tainá Cristhina Nogueira João
Orientação: Maria Lúcia Pereira Antunes
O estudo de grandes tempestades e seus raios relaciona diversas áreas da Físicas tais
como eletricidade, física térmica, ondas e acústica, eletromagnetismo e formas de energia. Cerca
de 50-100 relâmpagos ocorrem a cada segundo em nosso planeta, a maior parte na região tropical
(cerca de 70 %).
Um relâmpago é uma corrente elétrica muito intensa que ocorre na atmosfera com típica
duração de meio segundo e típica trajetória com comprimento de 5-10 quilômetros ( ver figura 1) é
associado a nuvens chamadas cúmulo-nimbus (ver figura 2) ou de tempestade que são formadas
quando são altas as temperaturas e a umidade do ar. Nessas ocasiões, o calor originário da
radiação solar aquece o solo, que, por sua vez, aquece o ar das camadas mais baixas da
atmosfera. O ar aquecido se expande e sobe. E, ao subir, cede calor ao ar das camadas mais altas
da atmosfera e esfria. Enquanto esfria, o ar ascendente se condensa, formando pequenas nuvens
- cúmulos-nimbos - verticalmente mais extensas, com a face inferior lisa. Elas se formam a cerca
de 2 quilômetros de altura do solo e se estendem por até 18 quilômetros acima. Se a umidade do
ar for muito grande, essas nuvens crescem e se aglomeram tornando-se cada vez maiores. Esse
processo se acentua à medida que as gotículas de água das camadas mais altas da nuvem se
congelam. A condensação cede calor ao ambiente e o aquecimento faz a coluna de ar elevar-se
ainda mais. As gotículas de água também se agrupam, aumentando de peso até que a coluna de
ar não mais as sustente, ocorrendo a precipitação.
Figura 1 – Relâmpago
Figura 2 – Nuvem cúmulo-nimbus
As tempestades decorrem da formação de nuvens de tempestade que têm altura entre 1,5
a 15 km, apresentando temperaturas internas muito diferentes. Na parte inferior, a temperatura é
próxima à do ambiente (em média 20°C), enquanto na parte mais alta pode atingir – 50°C. Este
enorme gradiente de temperatura gera ventos muito intensos no interior das nuvens que, por sua
vez, provocam a separação de cargas elétricas devido ao atrito entre as partículas de gelo
existentes no topo. Por indução* no solo há surgimento de excesso de cargas positivas e se
estabelece uma enorme diferença de potencial entre nuvem e solo, podendo atingir milhões de
volts. Uma vez vencida a capacidade isolante do ar entre o solo e as nuvens, ocorrem de 30 a 40
descargas elétricas sucessivas de aproximadamente 0,01 segundo que constituem um único raio,
uma descarga elétrica que aquece o ar, provocando uma expansão que se propaga em forma de
uma onda sonora, originando o trovão que alcança um máximo de intensidade em torno de 50-100
Hz quando produzidos por relâmpagos no solo e enquanto que aqueles produzidos por relâmpagos
nas nuvens tem um máximo em torno de 20-30 Hz, tendo durações típicas são 5-20 segundos e
atingindo uma velocidade de cerca de 100.000 km/s. Parte da energia acústica do trovão esta
concentrada em freqüências abaixo daquelas que o ouvido humano pode escutar** . Esta parte é
chamada trovão infra-sônico e acredita-se estar associada com mudanças na energia eletrostática
dentro da nuvem após a ocorrência de um relâmpago. As correntes elétricas envolvidas neste
processo variam de 10.000 a 200.000 ampères, aumentando a temperatura do ar para até
30.000°C, provocando violenta expansão, com ondas de compressão que podem ser audíveis a
alguns quilômetros de distância.
Tipos de Raios
Grande parte dos relâmpagos é nuvem-solo (ver figura 3). Relâmpagos solo-nuvem (ver
figura 4) são relativamente raros e, geralmente, ocorrem do topo de montanhas ou estruturas altas,
ou ainda podem ser gerados por foguetes lançados em direção as tempestades. Há também
relâmpagos nuvem-nuvem (ver figura 5) e globular. Sendo este ultimo o nome dado a uma esfera
luminosa que geralmente ocorre perto das tempestades (ver figura 6), mas não necessariamente
simultaneamente a um relâmpago normal, ela pode apresentar as cores: vermelha, amarela, azul,
laranja ou branca. Este tipo especial de descarga elétrica consiste geralmente num balão de
plasma ou gás fortemente ionizado e tem um diâmetro de 10 centímetros a 1 metro. Aparecem
próximo ao solo ou na atmosfera, e mantêm um brilho relativamente constante durante sua vida.
Elas podem mover-se rápida ou lentamente (chega a atingir uma velocidade de 100 km/h) , ou ficar
paradas, podem ser silenciosas ou produzir estalos, duram de segundos a minutos (média de 4
segundos) e desaparecem lenta ou subitamente em silêncio ou produzindo um ruído e deixando
um odor de enxofre, interferindo nas emissões de rádio. Pode também deixar marcas de
queimaduras e outros rastros no chão, mas atravessa os vidros, as paredes ou cortinas sem
provocar incêndio. Embora elas tenham sido observadas por mais de um século, não são bem
conhecidas e permanecem um mistério.
Figura 3 – Relâmpago nuvem-solo.
Figura 4 – Relâmpago solo-nuvem.
Histórico
Em 1785, Coulomb descobriu que o ar é condutor, observando que um objeto condutor
isolado exposto ao ar gradualmente perdia sua carga. Sua descoberta, entretanto, não foi
compreendida na época, visto que os gases eram então considerados como isolantes, e ficou
completamente esquecida. Em 1804, P. Erman, de modo a explicar as observações de Saussure,
sugeriu pela primeira vez que a Terra devia ser carregada negativamente. Em 1842, J. Peltier
confirmou esta idéia e sugeriu que a carga no ar deveria ser originária da Terra, a qual por sua vez
teria tornado-se carregada durante sua formação.
Um relâmpago nuvem-solo negativo inicia-se através da quebra de rigidez do ar dentro da
nuvem cúmulo-nimbus. Ela é causada por um intenso campo elétrico de cerca de 100-400 kV/m
entre duas regiões de cargas opostas.
Figura 4 – Relâmpago nuvem-nuvem
Figura 5 – Relâmpago bola ou globular
A capacidade da atmosfera de conduzir uma corrente elétrica é expressa em termos de
sua condutividade. A condutividade na atmosfera inferior e média atmosfera é isotrópica, sendo
dada pelo produto da densidade de íons, a carga dos íons e a mobilidade, onde somente os íons
pequenos contribuem para a condutividade, uma vez que a mobilidade dos íons grandes é bem
menor. A condutividade na atmosfera inferior e média atmosfera aumenta com a altitude. Esta
variação é principalmente devida ao aumento da mobilidade com a altitude, em conseqüência da
diminuição da densidade da atmosfera. A condutividade também varia com a latitude, devido à
variação da intensidade de raios cósmicos, e tende a ser maior em altas latitudes. Perto da
superfície da Terra, a condutividade apresenta variações em associação com a presença de
neblina ou poluição. Na atmosfera superior, a condutividade é anisotrópica devido ao fato da
mobilidade de íons e elétrons depender da direção do campo magnético. A 100 km de altitude, a
condutividade do ar é 11 ordens de magnitude superior àquela perto do solo e aproximadamente
igual à condutividade do solo.
Influência sobre o Meio Ambiente
Os relâmpagos têm um largo efeito sobre o meio ambiente, eles provavelmente estavam
presentes durante o surgimento da vida na Terra e podem mesmo ter participado na geração das
moléculas as quais deram origem a vida, eles provocam incêndios participando, com isto, na
composição de equilíbrio das árvores e plantas. Relâmpagos modificam as características da
atmosfera ao redor das regiões onde ocorrem, quebram as moléculas do ar, as quais ao se
recombinarem produzem novos elementos que modificam o equilíbrio da atmosfera, afetando a
concentração de importantes elementos como o ozônio, estes se misturam com a chuva e
precipitam-se como fertilizantes naturais. Relâmpagos exercem um papel em manter o campo
elétrico de tempo bom na atmosfera, o qual é uma conseqüência da carga negativa líquida
existente na Terra e da carga positiva líquida na atmosfera e também exercem um papel
significativo na manutenção do equilíbrio entre ondas e partículas na ionosfera e magnetosfera,
atuando como uma fonte de ondas.
Mesmo antes de um raio cair já existe perigo, pois as nuvens estão carregadas de
eletricidade e, se por baixo da nuvem tivermos, por exemplo, uma cerca muito comprida, os fios da
cerca também ficarão carregados com eletricidade, se uma pessoa ou animal tocar na cerca irá
tomar um choque elétrico, que em alguns casos poderá ser fatal.
* Uma das formas de eletrização dos corpos; processo pelo qual a separação de cargas ocorre
sem o contato direto entre os corpos (sendo um deles eletrizado e o outro neutro).
** O som mais grave perceptível pelo ouvido humano possui freqüência aproximadamente igual a
20 Hz, ao passo que o som mais agudo que o ouvido humano pode detectar é de 20 kHz.
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Physical Science Study Committee
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