Fsica dos relmpagos Reviso de alguns conceitos Tipos

Física dos relâmpagos • • • Revisão de alguns conceitos Tipos de relâmpagos Processos de um relâmpago Categorias e polaridades Modelos de um raio líder ACA 0330 – Introdução a Eletricidade Atmosférica Prof. Dr. Carlos Augusto Morales – IAG/USP

Revisão de alguns conceitos

Plasma é um gás ionizado composto de uma mistura de elétrons livre, íons positivos e átomos e moléculas neutras. Ionização é o processo de separação de elétrons dos átomos a partir de forças externas específicas, transformando os elétrons em íons. Basicamente a ionização é a produção de íons, que podem ser feitos a partir da ionização térmica (calor) e ionização elétrica (descarga elétrica).

A ionização elétrica é a formação de uma avalanche de elétrons a partir da aplicação de uma força externa (campo elétrico) sobre um gás. O campo elétrico tem que ser suficientemente grande para que os elétrons livres, os quais estão presentes no gás, se acelerem a um determinado grau para que eles consigam expulsar mais de um elétron de cada átomo sem que eles colidam.

A avalance de elétrons ocorre quando a multiplicação de elétrons livres aumenta geometricamente. elétrons átomos O resultado visual da avalanche de elétrons é uma faisca. A formação da faisca é conhecida como ruptura elétrica

Raios detectados via Câmera Rápida 4000 frames por segundo http: //www. starnet. iag. usp. br - COELCE Research & Development Project #0039 -0040/2010 6

9 de Março de 2016 – 20: 47: 19 NT 9 de Março de 2016 – 20: 44: 53 NT 9 de Março de 2016 – 20: 42: 12 NT 9 de Março de 2016 – 20: 47: 19 NT ramificado http: //www. starnet. iag. usp. br - COELCE Research & Development Project #0039 -0040/2010 7

A presença de elétrons livres no plasma faz com que seja possível conduzir corrente elétrica, que é o movimento direcionado de particulas carregadas sob a ação de um campo elétrico. A colisão entre elétrons e íons produz calor e o aquecimento do plasma produz uma ionização termal adicional, o que faz com que o plasma torne-se luminoso. Sem a condutividade do plasma e o campo elétrico das tempestades, os raios não poderiam existir.

Nos canais dos raios são transportadas correntes elétricas maiores que algumas dezenas de Amperes, sendo que o número de elétrons livres por unidade de volume, ou seja, a densidade de plasma, pode chegar a 1019 elétrons por metro cúbico ou maior ainda. Esta densidade é suficientemente enorme para que ocorra uma reflexão das ondas eletromagnéticas emitidas por um radar sobre um canal de um raio, por exemplo. Neste exemplo, o canal de plasma (raio) age como se fosse um metal. Este princípio faz com que o raio seja visível por um radar de diferentes comprimentos de onda.

Ecos do radar UHF que mediu um raio que atingiu o avião F-106 B da NASA O raio começa no avião, isto é, o avião ativa o raio.

Portanto a luminosidade, as ondas acústicas (trovão), campos magnéticos e elétricos, sinais de radiação e espalhamento de ondas eletromagnéticas pelo canal do plasma são o resultado do fluxo de corrente elétrica através do plasma do raio. Mas lembre-se que o raio é muito mais que uma faisca.

Tipos de relâmpagos

Os raios mais comuns observados na atmosfera são : a) Nuvem-Terra (CG-Cloud-to-Ground); b) Em Nuvem (IC-Intra-Cloud); c) Entre Nuvens (CC-Inter-Clouds). Os raios tipo CG são os mais perigosos e devastadores. CG Entretanto os CGs não são tão numerosos como os ICs e CGs ICs CCs, CCs mas são os que mais temos conhecimento.

CG Nuvem-Terra

Descarga Subsequente (dart-leader) Raio Lider Descarga de Retorno

Os raios tipo intra-nuvem (IC) são as descargas elétricas mais comuns. Este tipo de raio ocorre entre centros de cargas carregados opostamente dentro de uma nuvem.

Outros tipos não tão comuns • • Raios bola Red Sprites Blue Jets Elves Univ. Federal de Pernanbuco. Porém tem sido observados com frequência, inclusive no Brasil.

Raio Bola

• A teoria mais aceita, proposta por um grupo de pesquisadores da Nova Zelândia (John Abrahamsom e James Dinniss) é que este fenômeno seria formado pelo vapor do silício após uma descarga elétrica atingir o solo • Sendo que a medida que o vapor de silício resfria ocorre condensação e por sua vez uma resfria condensação bola é formada devido a carga elétrica na bola superfície. (Luz calor silício/oxigênio). superfície UFPe

Transient Luminous Events

• Red sprites são descargas enormes mas de pouca sprites luminosidade que aparecem acima de tempestades ativas e tem correlação com CG+, e se estendem até ~ 95 km. Foi descoberto acidentalmente em 1989, Franz, e depois em 1990 o ônibus espacial capturou mais de 20.

• Blue jets são distintos dos sprites e foram documentados em jets 1994. Os blue jets são pulsos óticos expelidos a partir de tempestades ativas e não estão necessariamente relacionados com raios CG. Se propagam até 40 -50 km e tem um tempo de vida de alguns milisegundos

Elves são rápidas expansões na forma de disco com uma Elves luminosidade que dura menos de 1 milisegundo. Eles ocorrem em regiões bem altas, em geral acima de raios CG altamente energéticos. Acredita-se que estejam associados a pulsos eletromagnéticos que se propagam para a ionosfera. Foi descoberto em 1992 a partir de uma câmera no ônibus espacial.

RED SPRITES

Blue Jets

No Brasil existe um grupo que faz observações de Meteoros com câmeras especiais. Durante estas observações eles detectaram vários Sprites e Blue Jets. Hoje em dia eles divulgam estas informações no portal e No facebook e tem detectado dezenas destes raios todos os dias. http: //www. bramonmeteor. org/bramon/ https: //www. facebook. com/groups/bramon/

Processos de um relâmpago: raio líder e descarga de retorno

Os escalonamentos do raio lider negativo variam de dezenas a centenas de metros. O potencial da ponta do raio lider determina o tamanho do escalonamento, i. e. , Tamanho ~ V/750 (k. Vm-1). Cada novo escalonamento tende a se desviar da direção prévia em ângulos menores que 20 graus A ramificação visível para baixo caracteriza uma descarga baixo nuvem-terra e a ramificação visível para cima caracteriza nuvem-terra cima uma descarga terra-nuvem (em geral em estruturas na terra-nuvem superfície da terra: torres, para-raios em prédio altos).

Nuvem-Terra

Terra-Nuvem

Categorias e Polaridade de Descargas Nuvem-Terra ou Terra-Nuvem

Descargas CG Negativas Lideres para baixo são negativos Descargas de retorno são positivas, i. e. , carregam positivas cargas positivas Descargas CG positivas Lideres para baixo são positivos Descargas de retorno são negativas, i. e. , carregam negativas cargas negativas

Existem 2 tipos de Descargas para o Solo Natural e Iniciados artificialmente • Natural : Natural Ocorre naturalmente a partir da eletrificação do meio ambiente e sem a ajuda de alguma estrutura feita pelo homem bem como por sua intervenção • Artificial: Artificial Descargas sobre estruturas altas, aviões e foguetes.

Berger 1977 criou uma sub-divisão para as descargas nuvem-terra Baseia-se na direção de propagação e polaridade da carga transportada da nuvem para a terra. L – lider R – descarga de retorno

Tipo 1 : O mais comum. Propagação para baixo de um raio lider com Q-, seguido de uma descarga de retorno que se propaga para cima; O resultado final é o de transferir Q- da nuvem para terra.

Tipo 2 Propagação para cima de um raio lider com Q+ e seguida de uma propagação para baixo de uma descarga de retorno de Q -. Este raio é caracteristico de iniciados artificialmente. Também transfere Q- da nuvem para a terra.

Tipo 3 Propagação para baixo de um raio lider com Q+ seguido de uma descarga de retorno com descarga Q+ para a terra. São observados em tempestades severas.

Tipo 4 Um raio da terra positivo iniciado artificialmente. Composto de um raio lider negativo que se propaga para cima seguido de uma descarga de retorno positiva que se propaga para baixo. Este tipo é observado em estruturas altas.

Pico do Jaraguá

Localização da origem dos relâmpagos A maioria dos estudos utiliza medidas de VHF que detectam a posição 3 D das fontes de radiação emitidas pelas descargas elétricas. • Rust et al. 1985: (Oklahoma) 4 tempestades Apresentou distribuição bi-modal com a altura. bi-modal 1) 7 km (T = -14 o. C) e 2) 10 km (T = -38 o. C)

• Proctor (1991) (Africa do Sul) 13 tempestades Os raios tendem a se agrupar em regiões horizontais de alguns km 2 regiões na vertical: 1) 5. 3 km (T =-3 o. C) e 2) 9. 2 km (T=-28 o. C) + de 90% das descargas estavam ~ 300 m de regiões com Z do Radar = 20 d. BZ naquelas alturas As descargas aconteciam em buracos de refletividade, o descargas que poderia representar uma descontinuidade na densidade de Q, que poderia preferencialmente iniciar uma descarga. Estes buracos tinham dimensões ~ 250 – 1000 m.

Observations of narrow bipolar events reveal how lightning is initiated in thunderstorms, William Rison, Paul R. Krehbiel, Michael G. Stock, Harald E. Edens, Xuan-Min Shao, Ronald J. Thomas, Mark A. Stanley, Yang Zhang, Nature Communications, 7, Article number: 10721, doi: 10. 1038/ncomms 10721

Morales 2001: 4 km 9 km 4 km 8 km Medidas coincidentes LDAR (VHF) versus VLF (STARNET) e VLF/LF (NLDN)

Modelos de raio Lider • Carga-fonte • Bi-direcional • Lider+descarga de retorno

Modelo de carga-fonte: Proposto inicialmente por Schonland (1938) e remodelado por Uman (1987) Um raio Lider uni-direcional inicia a partir de uma região de Q. Uma Q unipolar se propaga a partir da fonte para o canal do Lider As cargas se distribuem uniformemente ao longo do canal. Centro de Carga na Nuvem HT altura do centro de Q HB altura do lider

O incremento do E medido no chão, o qual é assumido ser um condutor plano, a partir de um elemento de carga ao longo de um incremento do canal de comprimento (dz) é dado por Eq 1. Centro de Carga na Nuvem HT altura do centro de Q HB altura do lider Z

Eq 1. Obs: Lembre-se do método de imagens de cargas. λq é constante. Nesta equação a polaridade do Lider é designada por λq. Se o lider for negativo, então d. E é positivo. A medida que o Lider se propaga para baixo, temos uma redução de cargas na região Fonte. Estas diminuição também contribuirá para mudanças do E medidas no chão.

Então a mudança total do E produzida pelo Lider negativo que se propaga para baixo é o de diminuir as cargas no centro de cargas da fonte: Eq. 2 carga do Lider fator de decréscimo da fonte de carga

Assumindo λq = − 1 Cm− 1 Observamos que a variação do E é aproximadamente linear com a altura e é mais intensa quanto mais próximo da descarga estamos (quanto menor for D).

Modelo de Lider Bi-direcional (Kasemir, 1950 e 1960; Mazur et al. 1984, Mazur 1989) São modelos eletrostáticos com carga resultante zero. Esquecido até 1980, após medidas de raios em aviões feitas por Mazur Observou-se que as descargas começavam simultaneamente, com lideres se propagando em lados opostos. Medidas com aviões e radares no chão mostraram uma propagação bi-direcional das ramificações positivas e negativas que se originavam em extremidades opostas ao avião. Mazur (1989) também comparou medidas de descargas induzidas por aviões com os CC ocorridos naturalmente e conclui que eles eram similares.

Em 1993, Mazur e Ruhnke revisaram a teoria eletrostática de desenvolvimento de relâmpagos e compararam o modelo de carga-fonte e o modelo de lider-bi-direcional. No modelo bi-direcional, o Lider é bi-polar com partes positivas e negativas se movendo em direções opostas a partir da origem na altura HT. HT altura do centro de Q HB altura do lider/baixo HA altura do lider/cima Centro de origem

Apesar da carga total resultante do Lider bi-polar ser ZERO, a distribuição de cargas no lider é determinado pela distribuição do potencial ambiente. Em uma simples configuração, podemos assumir que o E ambiente é constante. Portanto, a densidade de carga para um lider bi-direcional com cargas negativas se movendo para baixo e cargas positivas se movendo para cima pode ser descrito como: λq(z) = - K(H T – z) ( eq. 3)

Logo, d. E a partir de um elemento de carga do lider pode ser descrito pela eq. (1), porém com λq(z) variando linearmente a partir de uma razão K governada pelo E ambiente. Mazur e Ruhnke (1993) assumiram que as partes positivas e negativas do lider se moviam com a mesma velocidade. Então, a mudança total do campo elétrico para CG negativos podia ser obtida a partir da integração da equação (1) e assumindo a densidade da equação (3).

Eq. 4 NO AR Quando o Lider se conecta com o chão, ou seja: HB = 0, e HA = 2 HT, ΔE se torna: NO CHÃO Eq. 5

Assumindo λq = − 1 Cm− 1 Observamos que variação do E é dependente da distância aonde observamos, podendo ser positiva e crescente até ~ HB = 1. 5 km, quando passa a diminuir com a altura, para D = 5 km. Para D = 10 km e 50 km a variação do E aumenta negativamente conforme se aproxima do chão HB = 0.

Mazur e Ruhnke (1993) calcularam a razão entre a altura/distância para que o ΔEo = 0. Para o modelo de carga-fonte HT/D = 1. 27 e HT/D = 0. 98 para o bi-direcional. Então para o mesmo ΔE e D, altura de iniciação, HT, é 30% mais alta para o modelo de carga-fonte do que para o bi-direcional.

Cortesia: Dr. Vladslav Mazur (NSSL/NOAA

Cortesia: Dr. Vladslav Mazur (NSSL/NOAA

Cortesia: Dr. Vladslav Mazur (NSSL/NOAA

Cortesia: Dr. Vladslav Mazur (NSSL/NOAA

Cortesia: Dr. Vladslav Mazur (NSSL/NOAA

Cortesia: Dr. Vladslav Mazur (NSSL/NOAA

Cortesia: Dr. Vladslav Mazur (NSSL/NOAA

Cortesia: Dr. Vladslav Mazur (NSSL/NOAA

Filme deste modelo capturado por uma camera rapida no avião F 106 B da NASA Cortesia: Dr. Vladslav Mazur (NSSL/NOAA)

Cortesia: Dr. Vladslav Mazur (NSSL/NOAA

Raio Lider + Descarga de Retorno Este modelo foi proposto inicialmente por Malan (1963) e previa que a descarga de retorno descarregava as cargas ao longo do canal do lider. Ele assumiu que a mudança do E a partir de uma descarga era da mesma magnitude mas de polaridade oposta a da carga do lider. Portanto, para obtermos uma expressão resultante da mudança do E sobre o chão para o processo inteiro (lider+descarga de retorno) temos que adicionar uma expressão da descarga de Retorno na equação do raio lider (eq. 2) com os devidos sinais.

Eq. 6 onde a carga total Q = λq. HT. Esta equação é equivalente a equação (1) se considerássemos um “descarga de chão” depositando um ponto de cargas positiva dentro da nuvem e assim neutralizando a parte da fonte-de-carga do raio lider.

No caso de um lider bi-direcional, a mudança do E devido a uma descarga de retorno é produzida por um onda potencial do chão que se move do chão para o topo do leader (HA). Para um caso de uma CG negativa, Mazur e Ruhnke (1993) hipotetizaram um efeito onde a descarga de retorno neutralizava a carga negativa na parte de baixo do raio lider e dobrava (2 X) a carga positiva na parte superior do raio lider Então, o raio negativo coloca um carga positiva Q = KHT 2 no canal do lider.

Assumindo velocidades iguais de propagação para os 2 lideres, temos que HA = 2 HT, Eq. 7 Apesar que ambos os modelos, bi-direcional e carga-fonte, produzem formas de onda realísticas do E, Mazur e Ruhnke (1993) concluíram que o conceito bi-direcional faz mais sentido físico, enquanto que o unipolar não. Por exemplo, o modelo de carga-fonte viola o requerimento que um condutor sob um E terá uma um indução na distribuição de cargas ditada pela distribuição do potencial ambiente.

Além disso, Kasemir (1983) notou que não há nenhuma lei física que faça com que a distribuição de cargas se concentre a partir de uma propagação em um canal do relâmpago. Por outro lado, ele mostrou que a energia armazenada do E na tempestade, induz um carregamento do lider bi-direcional. Portanto, Mazur e Ruhnke (1993) propuseram modificações nos tipos de classificação de raios propostos por Berger (1977) a partir de medidas fotográficas com alta resolução temporal.

Tipo 2 Antes: Propagação para cima de um raio lider com Q+ e seguida de uma propagação para baixo de uma descarga de retorno de Q-. Este raio é caracteristico de iniciados artificialmente. Também transfere Q- da nuvem para a terra. Tipo 2 b: Lider positivo inicialmente se move para cima em direção à nuvem; Raio subsequente se move para baixo a partir da nuvem para a terra; quando raio sub-sequente alcança a terra, a descarga de retorno ocorre. Este cenário descreve o processo de um raio induzido por um foguete que envolve cargas negativas em tempestade de verão.

Tipo 4 Antes: Um raio da terra positivo iniciado artificialmente. Composto de um raio lider negativo que se propaga para cima seguido de uma descarga de retorno positiva que se propaga para baixo. Este tipo é observado em estruturas altas. Tipo 4 b: um lider positivo desce da nuvem em direção à terra e aciona um lider negativo a partir de estruturas altas ou foguetes; após os dois liders se encontrem, uma descarga de retorno ocorre. Esta situação descreve os raio que ocorrem durante as tempestades de inverno e que tem polaridade positiva acima.