Raio - Lightning

Raios da nuvem ao solo durante uma tempestade
Vídeo relâmpago de alta velocidade e câmera lenta capturado a 6.200 quadros por segundo

O raio é uma descarga eletrostática de ocorrência natural durante a qual duas regiões eletricamente carregadas , ambas na atmosfera ou uma no solo, se equalizam temporariamente, causando a liberação instantânea de até um gigajoule de energia . Essa descarga pode produzir uma ampla gama de radiação eletromagnética , desde o calor criado pelo rápido movimento dos elétrons até flashes brilhantes de luz visível na forma de radiação de corpo negro . Os relâmpagos causam trovões , um som da onda de choque que se desenvolve à medida que os gases nas proximidades da descarga experimentam um aumento repentino na pressão. Os relâmpagos ocorrem comumente durante as tempestades , bem como em outros tipos de sistemas climáticos energéticos , mas os relâmpagos vulcânicos também podem ocorrer durante as erupções vulcânicas.

Os três tipos principais de relâmpagos são diferenciados por onde ocorrem: dentro de uma única nuvem de tempestade , entre duas nuvens diferentes ou entre uma nuvem e o solo. Muitas outras variantes de observação são reconhecidas, incluindo " raios de calor ", que podem ser vistos de uma grande distância, mas não ouvidos; raios secos , que podem causar incêndios florestais ; e relâmpagos de bola , que raramente são observados cientificamente.

Os humanos divinizaram os raios por milênios. Expressões idiomáticas derivadas de relâmpagos, como a expressão em inglês "bolt from the blue", são comuns em vários idiomas. O medo de raios é chamado de astraphobia .

Eletrificação

(Figura 1) A principal área de carga em uma tempestade ocorre na parte central da tempestade, onde o ar está se movendo rapidamente para cima (correnteza ascendente) e as temperaturas variam de −15 a −25 ° C (5 a −13 ° F).

Os detalhes do processo de carregamento ainda estão sendo estudados por cientistas, mas há um consenso geral sobre alguns dos conceitos básicos de eletrificação por tempestade. A eletrificação pode ser pelo efeito Triboelétrico como resultado da transferência de íons entre corpos em colisão. Gotas de água colidindo sem carga podem se tornar carregadas por causa da transferência de carga entre elas (como íons aquosos) em um campo elétrico como existiria em uma nuvem de trovão. A principal área de carga em uma tempestade ocorre na parte central da tempestade, onde o ar está se movendo rapidamente para cima (corrente ascendente) e as temperaturas variam de −15 a −25 ° C (5 a −13 ° F); veja a Figura 1. Nessa área, a combinação de temperatura e rápido movimento de ar para cima produz uma mistura de gotículas de nuvem super-resfriadas (pequenas gotículas de água abaixo do ponto de congelamento), pequenos cristais de gelo e graupel (granizo macio). A corrente ascendente carrega as gotículas de nuvem super-resfriadas e cristais de gelo muito pequenos para cima. Ao mesmo tempo, o graupel, que é consideravelmente maior e mais denso, tende a cair ou ficar suspenso no ar que sobe.

(Figura 2) Quando os cristais de gelo em ascensão colidem com o graupel, os cristais de gelo ficam carregados positivamente e o graupel negativamente.

As diferenças no movimento da precipitação causam a ocorrência de colisões. Quando os cristais de gelo em ascensão colidem com o graupel, os cristais de gelo tornam-se carregados positivamente e o graupel negativamente; veja a Figura 2. A corrente ascendente carrega os cristais de gelo carregados positivamente para cima em direção ao topo da nuvem de tempestade. O graupel maior e mais denso está suspenso no meio da nuvem da tempestade ou cai em direção à parte inferior da tempestade.

A parte superior da nuvem de tempestade torna-se carregada positivamente, enquanto do meio à parte inferior da nuvem de tempestade torna-se carregada negativamente.

O resultado é que a parte superior da nuvem de tempestade torna-se carregada positivamente, enquanto a parte média e inferior da nuvem de tempestade torna-se carregada negativamente.

Os movimentos ascendentes dentro da tempestade e ventos em níveis mais elevados da atmosfera tendem a fazer com que os pequenos cristais de gelo (e carga positiva) na parte superior da nuvem de tempestade se espalhem horizontalmente a alguma distância da base da nuvem de tempestade. Esta parte da nuvem de tempestade é chamada de bigorna. Embora este seja o principal processo de carga para a nuvem de tempestade, algumas dessas cargas podem ser redistribuídas pelos movimentos do ar dentro da tempestade (correntes ascendentes e descendentes). Além disso, há um pequeno, mas importante, acúmulo de carga positiva próximo ao fundo da nuvem de tempestade devido à precipitação e temperaturas mais altas.

A separação induzida de carga na água líquida pura é conhecida desde a década de 1840, assim como a eletrificação da água líquida pura pelo efeito triboelétrico.

William Thomson (Lord Kelvin) demonstrou que a separação de carga na água ocorre nos campos elétricos usuais na superfície da Terra e desenvolveu um dispositivo de medição de campo elétrico contínuo usando esse conhecimento.

A separação física de carga em diferentes regiões usando água líquida foi demonstrada por William Thompson (Lord Kelvin) com o conta-gotas Kelvin . As espécies portadoras de carga mais prováveis ​​foram consideradas o íon hidrogênio aquoso e o íon hidróxido aquoso.

A carga elétrica de gelo de água sólido também foi considerada. As espécies carregadas foram novamente consideradas como sendo o íon hidrogênio e o íon hidróxido.

Um elétron não é estável em água líquida em relação a um íon hidróxido mais hidrogênio dissolvido nas escalas de tempo envolvidas em tempestades com trovões.

O portador de carga em um raio consiste principalmente de elétrons em um plasma. O processo de passar da carga como íons (íon de hidrogênio positivo e íon de hidróxido negativo) associado à água líquida ou sólida para carregar como elétrons associados ao relâmpago deve envolver alguma forma de eletroquímica, ou seja, a oxidação e / ou a redução de espécies químicas. Como o hidróxido funciona como uma base e o dióxido de carbono é um gás ácido, é possível que as nuvens de água carregadas em que a carga negativa está na forma de íon hidróxido aquoso interajam com o dióxido de carbono atmosférico para formar íons carbonato aquoso e hidrogenocarbonato aquoso íons.

Considerações gerais

Vídeo de quatro segundos de um relâmpago, Island in the Sky, Canyonlands National Park , Utah , Estados Unidos.

O típico relâmpago nuvem-solo culmina na formação de um canal de plasma eletricamente condutor através do ar com mais de 5 km (3,1 mi) de altura, de dentro da nuvem até a superfície do solo. A descarga real é o estágio final de um processo muito complexo. Em seu pico, uma tempestade típica produz três ou mais ataques à Terra por minuto. Os relâmpagos ocorrem principalmente quando o ar quente é misturado com massas de ar mais frias, resultando em distúrbios atmosféricos necessários para polarizar a atmosfera. No entanto, também pode ocorrer durante tempestades de areia , incêndios florestais , tornados , erupções vulcânicas e até mesmo no frio do inverno, onde os raios são conhecidos como trovões de neve . Normalmente, os furacões geram alguns raios, principalmente nas bandas de chuva a até 160 km (99 milhas) do centro.

Distribuição e frequência

Mapa mundial mostrando a frequência de quedas de raios, em flashes por km² por ano (projeção de área igual), de dados combinados de 1995–2003 do Detector Óptico de Transientes e de 1998–2003 do Sensor de Imagens de Raios.

O relâmpago não está distribuído uniformemente em torno da Terra, conforme mostrado no mapa.

Na Terra, a frequência de relâmpagos é de aproximadamente 44 (± 5) vezes por segundo, ou quase 1,4 bilhão de flashes por ano e a duração média é de 0,2 segundos composta de uma série de flashes muito mais curtos (golpes) de cerca de 60 a 70 microssegundos .

Muitos fatores afetam a frequência, distribuição, força e propriedades físicas de um típico relâmpago em uma determinada região do mundo. Esses fatores incluem elevação do solo, latitude , correntes de vento predominantes , umidade relativa e proximidade de corpos d'água quentes e frios. Até certo ponto, as proporções de relâmpagos intra-nuvem, nuvem-nuvem e nuvem-solo também podem variar por estação em latitudes médias .

Como os seres humanos são terrestres e a maioria de seus bens estão na Terra, onde os raios podem danificá-los ou destruí-los, o raio nuvem-solo (CG) é o mais estudado e melhor compreendido dos três tipos, mesmo que na nuvem (IC ) e nuvem para nuvem (CC) são os tipos mais comuns de relâmpagos. A relativa imprevisibilidade de Lightning limita uma explicação completa de como ou por que isso ocorre, mesmo após centenas de anos de investigação científica. Cerca de 70% dos raios ocorrem em terras tropicais, onde a convecção atmosférica é maior.

Isso ocorre tanto pela mistura de massas de ar mais quentes e mais frias , bem como por diferenças nas concentrações de umidade, e geralmente acontece nos limites entre elas . O fluxo de correntes oceânicas quentes passando por massas de terra mais secas, como a Corrente do Golfo , explica parcialmente a elevada frequência de raios no sudeste dos Estados Unidos . Como grandes corpos d'água não têm a variação topográfica que resultaria na mistura atmosférica, os relâmpagos são notavelmente menos frequentes nos oceanos do mundo do que na terra. Os Pólos Norte e Sul são limitados em sua cobertura de tempestades e, portanto, resultam em áreas com a menor quantidade de raios.

Em geral, os relâmpagos CG representam apenas 25% do total de relâmpagos em todo o mundo. Como a base de uma tempestade geralmente é carregada negativamente, é aqui que se origina a maioria dos raios CG. Esta região está normalmente na elevação onde o congelamento ocorre dentro da nuvem. O congelamento, combinado com as colisões entre gelo e água, parece ser uma parte crítica do desenvolvimento da carga inicial e do processo de separação. Durante as colisões impulsionadas pelo vento, os cristais de gelo tendem a desenvolver uma carga positiva, enquanto uma mistura mais pesada e lamacenta de gelo e água (chamada graupel ) desenvolve uma carga negativa. Atualizações dentro de uma nuvem de tempestade separam os cristais de gelo mais leves do graupel mais pesado, fazendo com que a região superior da nuvem acumule uma carga espacial positiva , enquanto o nível inferior acumula uma carga espacial negativa.

Relâmpago em Belfort , França

Como a carga concentrada dentro da nuvem deve exceder as propriedades de isolamento do ar, e isso aumenta proporcionalmente à distância entre a nuvem e o solo, a proporção de ataques de CG (versus descargas CC ou IC) torna-se maior quando a nuvem está mais perto do chão. Nos trópicos, onde o nível de congelamento é geralmente mais alto na atmosfera, apenas 10% dos relâmpagos são CG. Na latitude da Noruega (cerca de 60 ° latitude Norte), onde a elevação congelante é menor, 50% dos raios são CG.

Os relâmpagos são geralmente produzidos por nuvens cúmulos- nimbos , que têm bases que estão tipicamente 1–2 km (0,62–1,24 mi) acima do solo e topos de até 15 km (9,3 mi) de altura.

O lugar na Terra onde os relâmpagos ocorrem com mais frequência é perto da pequena vila de Kifuka nas montanhas do leste da República Democrática do Congo , onde a elevação é de cerca de 975 m (3.200 pés). Em média, esta região recebe 158 descargas atmosféricas por quilômetro quadrado por ano (410 / sq mi / ano). O lago Maracaibo, na Venezuela, tem uma média de 297 dias por ano com atividade de raios, um efeito conhecido como raio de Catatumbo . Outros pontos críticos de relâmpagos incluem Cingapura e Lightning Alley na Flórida Central .

Condições necessárias

Som de trovoada

Para que uma descarga eletrostática ocorra, duas pré-condições são necessárias: primeiro, uma diferença de potencial suficientemente alta entre duas regiões do espaço deve existir e, segundo, um meio de alta resistência deve obstruir a equalização livre e desimpedida das cargas opostas. A atmosfera fornece o isolamento elétrico, ou barreira, que impede a equalização livre entre regiões carregadas de polaridade oposta.

É bem entendido que durante uma tempestade há separação e agregação de carga em certas regiões da nuvem; no entanto, os processos exatos pelos quais isso ocorre não são totalmente compreendidos.

Geração de campo elétrico

Vista de um raio de um avião voando acima de um sistema.

Conforme uma nuvem de tempestade se move sobre a superfície da Terra, uma carga elétrica igual , mas de polaridade oposta, é induzida na superfície da Terra sob a nuvem. Isso é conhecido como carga de imagem . A carga superficial positiva induzida, quando medida em relação a um ponto fixo, será pequena conforme a nuvem de tempestade se aproxima, aumentando conforme o centro da tempestade chega e diminuindo conforme a nuvem de tempestade passa. O valor referencial da carga superficial induzida pode ser representado aproximadamente como uma curva em sino.

As regiões com cargas opostas criam um campo elétrico no ar entre elas. Esse campo elétrico varia em relação à força da carga superficial na base da nuvem de tempestade - quanto maior a carga acumulada, maior o campo elétrico.

Flashes e golpes

Certas estruturas proeminentes costumam atrair freqüentes quedas de raios. A CN Tower em Toronto é atingida muitas vezes a cada verão.

A forma mais bem estudada e compreendida de relâmpago é o relâmpago nuvem-solo (CG). Embora mais comuns, os flashes intra-nuvem (IC) e nuvem-a-nuvem (CC) são muito difíceis de estudar, pois não há pontos "físicos" para monitorar dentro das nuvens. Além disso, dada a probabilidade muito baixa de um raio atingir o mesmo ponto repetidamente e de forma consistente, a investigação científica é difícil, mesmo em áreas de alta frequência de CG.

Um raio que vai da nuvem ao solo no deserto de Mojave , Califórnia
Um flash intra-nuvem. Um relâmpago dentro da nuvem ilumina toda a nuvem.

Líderes relâmpago

Um líder descendente viaja em direção à terra, ramificando-se à medida que avança.
Queda de raio causado pela conexão de dois líderes, positivo mostrado em azul e negativo em vermelho

Em um processo não bem compreendido, um canal bidirecional de ar ionizado , chamado de " líder ", é iniciado entre regiões de carga oposta em uma nuvem de tempestade. Líderes são canais eletricamente condutores de gás ionizado que se propagam ou são atraídos por regiões com carga oposta à da ponta do líder. A extremidade negativa do líder bidirecional preenche uma região de carga positiva, também chamada de poço, dentro da nuvem, enquanto a extremidade positiva preenche um poço de carga negativa. Os líderes costumam se dividir, formando galhos em um padrão semelhante ao de uma árvore. Além disso, líderes negativos e alguns positivos viajam de forma descontínua, em um processo denominado "stepping". O movimento espasmódico resultante dos líderes pode ser prontamente observado em vídeos em câmera lenta de relâmpagos.

É possível que uma extremidade do líder preencha inteiramente o poço com carga oposta enquanto a outra extremidade ainda está ativa. Quando isso acontece, a extremidade líder que preencheu o poço pode se propagar para fora da nuvem de tempestade e resultar em um flash nuvem-ar ou um flash nuvem-solo. Em um flash nuvem-solo típico, um líder bidirecional inicia entre as principais regiões de carga negativa e positiva inferior em uma nuvem de tempestade. A região de carga positiva mais fraca é preenchida rapidamente pelo líder negativo que então se propaga em direção ao solo com carga indutiva.

Os líderes com carga positiva e negativa procedem em direções opostas, positiva para cima dentro da nuvem e negativa para a terra. Ambos os canais iônicos procedem, em suas respectivas direções, em uma série de jatos sucessivos. Cada líder "acumula" íons nas pontas principais, disparando um ou mais novos líderes, momentaneamente juntando-se novamente para concentrar os íons carregados e, em seguida, atirando em outro líder. O líder negativo continua a se propagar e se dividir à medida que se dirige para baixo, muitas vezes acelerando à medida que se aproxima da superfície da Terra.

Cerca de 90% dos comprimentos dos canais iônicos entre "piscinas" são de aproximadamente 45 m (148 pés) de comprimento. O estabelecimento do canal iônico leva um tempo comparativamente longo (centenas de milissegundos ) em comparação com a descarga resultante, que ocorre em algumas dezenas de microssegundos. A corrente elétrica necessária para estabelecer o canal, medida em dezenas ou centenas de amperes , é diminuída pelas correntes subsequentes durante a descarga real.

A iniciação do líder relâmpago não é bem compreendida. A intensidade do campo elétrico dentro da nuvem de tempestade não é normalmente grande o suficiente para iniciar esse processo por si só. Muitas hipóteses foram propostas. Uma hipótese postula que chuvas de elétrons relativísticos são criadas por raios cósmicos e, então, são aceleradas a velocidades mais altas por meio de um processo chamado de quebra descontrolada . À medida que esses elétrons relativísticos colidem e ionizam as moléculas de ar neutro, eles iniciam a formação de líderes. Outra hipótese envolve campos elétricos localmente aumentados sendo formados perto de gotículas de água alongadas ou cristais de gelo. A teoria da percolação , especialmente para o caso de percolação enviesada, descreve fenômenos de conectividade aleatória, que produzem uma evolução de estruturas conectadas semelhante à de descargas atmosféricas.

Flâmulas ascendentes

Quando um líder escalonado se aproxima do solo, a presença de cargas opostas no solo aumenta a força do campo elétrico . O campo elétrico é mais forte em objetos aterrados cujos topos estão mais próximos da base da nuvem de tempestade, como árvores e edifícios altos. Se o campo elétrico for forte o suficiente, um canal iônico com carga positiva, denominado streamer positivo ou ascendente , pode se desenvolver a partir desses pontos. Isso foi teorizado pela primeira vez por Heinz Kasemir.

Conforme os líderes carregados negativamente se aproximam, aumentando a força do campo elétrico localizado, os objetos aterrados que já experimentam a descarga corona excedem um limite e formam serpentinas ascendentes.

Acessório

Uma vez que um líder descendente se conecta a um líder ascendente disponível, um processo conhecido como fixação, um caminho de baixa resistência é formado e pode ocorrer descarga. Foram tiradas fotografias nas quais as fitas não anexadas são claramente visíveis. Os líderes descendentes desapegados também são visíveis em relâmpagos ramificados, nenhum dos quais está conectado à terra, embora possa parecer que estão. Vídeos de alta velocidade podem mostrar o processo de anexação em andamento.

Descarga

Golpe de retorno

Fotografia de alta velocidade mostrando diferentes partes de um relâmpago durante o processo de descarga, visto em Toulouse , França.

Uma vez que um canal condutivo preenche a lacuna de ar entre o excesso de carga negativa na nuvem e o excesso de carga superficial positiva abaixo, há uma grande queda na resistência através do canal de relâmpago. Os elétrons se aceleram rapidamente como resultado de uma zona que começa no ponto de fixação, que se expande por toda a rede líder em até um terço da velocidade da luz. Este é o "golpe de retorno" e é a parte mais luminosa e perceptível da descarga elétrica.

Uma grande carga elétrica flui ao longo do canal de plasma, da nuvem ao solo, neutralizando a carga positiva do solo à medida que os elétrons fluem do ponto de ataque para a área circundante. Este enorme surto de corrente cria grandes diferenças de voltagem radial ao longo da superfície do solo. Chamados de potenciais de passo, eles são responsáveis ​​por mais ferimentos e mortes em grupos de pessoas ou de outros animais do que o próprio golpe. A eletricidade segue todos os caminhos disponíveis. Esses potenciais de passo freqüentemente fluirão por uma perna e sairão por outra, eletrocutando um infeliz humano ou animal que está perto do ponto onde o raio cai.

A corrente elétrica do curso de retorno é em média de 30 quiloamperes para um típico flash CG negativo, freqüentemente referido como relâmpago "CG negativo". Em alguns casos, um relâmpago terra-nuvem (GC) pode se originar de uma região carregada positivamente no solo abaixo de uma tempestade. Essas descargas normalmente se originam do topo de estruturas muito altas, como antenas de comunicação. A taxa na qual a corrente do curso de retorno viaja foi encontrada em cerca de 100.000 km / s (um terço da velocidade da luz).

O fluxo massivo de corrente elétrica que ocorre durante o curso de retorno combinado com a taxa em que ocorre (medida em microssegundos) superaquece rapidamente o canal líder completo, formando um canal de plasma altamente eletricamente condutor. A temperatura central do plasma durante o curso de retorno pode exceder 50.000 K, fazendo com que ele irradie com uma cor branco-azulada brilhante. Uma vez que a corrente elétrica para de fluir, o canal esfria e se dissipa em dezenas ou centenas de milissegundos, freqüentemente desaparecendo como manchas fragmentadas de gás brilhante. O aquecimento quase instantâneo durante o golpe de retorno faz com que o ar se expanda de forma explosiva, produzindo uma poderosa onda de choque que é ouvida como um trovão .

Re-ataque

Vídeos de alta velocidade (examinados quadro a quadro) mostram que a maioria dos relâmpagos CG negativos são compostos de 3 ou 4 golpes individuais, embora possa haver até 30.

Cada re-ataque é separado por um período de tempo relativamente grande, normalmente de 40 a 50 milissegundos, conforme outras regiões carregadas na nuvem são descarregadas em cursos subsequentes. Re-strikes muitas vezes causam um efeito de " luz estroboscópica " perceptível .

Para entender por que múltiplos golpes de retorno utilizam o mesmo canal de relâmpago, é preciso entender o comportamento dos líderes positivos, que um flash de aterramento típico torna-se efetivamente seguindo a conexão do líder negativo com o solo. Os líderes positivos decaem mais rapidamente do que os negativos. Por razões não bem compreendidas, os líderes bidirecionais tendem a iniciar nas pontas dos líderes positivos decadentes, nos quais o lado negativo tenta reionizar a rede de líderes. Esses líderes, também chamados de líderes de recuo , geralmente decaem logo após sua formação. Quando eles conseguem fazer contato com uma parte condutora da rede líder principal, ocorre um processo semelhante a um golpe de retorno e um líder de dardo percorre todo ou uma parte do comprimento do líder original. Os líderes de dardo que fazem conexões com o solo são o que causa a maioria dos golpes de retorno subsequentes.

Cada golpe sucessivo é precedido por golpes intermediários do líder de dardo que têm um tempo de subida mais rápido, mas menor amplitude do que o golpe inicial de retorno. Cada golpe subsequente geralmente reutiliza o canal de descarga tomado pelo anterior, mas o canal pode ser deslocado de sua posição anterior conforme o vento desloca o canal quente.

Uma vez que os processos de recuo e dardo líder não ocorrem em líderes negativos, os golpes de retorno subsequentes raramente utilizam o mesmo canal em flashes de aterramento positivos que são explicados posteriormente neste artigo.

Correntes transitórias durante o flash

A corrente elétrica dentro de uma descarga de raio CG negativa típica aumenta muito rapidamente para seu valor de pico em 1–10 microssegundos, então decai mais lentamente em 50–200 microssegundos. A natureza transitória da corrente dentro de um relâmpago resulta em vários fenômenos que precisam ser tratados na proteção eficaz de estruturas baseadas no solo. As correntes que mudam rapidamente tendem a viajar na superfície de um condutor, no que é chamado de efeito de pele , ao contrário das correntes diretas, que "fluem" por todo o condutor como água por uma mangueira. Conseqüentemente, os condutores usados ​​na proteção de instalações tendem a ser multifacetados, com pequenos fios entrelaçados. Isso aumenta a área total da superfície do feixe na proporção inversa ao raio individual do fio, para uma área transversal fixa total .

As correntes que mudam rapidamente também criam pulsos eletromagnéticos (EMPs) que irradiam para fora do canal iônico. Esta é uma característica de todas as descargas elétricas. Os pulsos irradiados enfraquecem rapidamente à medida que sua distância da origem aumenta. No entanto, se eles passarem por elementos condutores, como linhas de energia, linhas de comunicação ou tubos metálicos, eles podem induzir uma corrente que viaja para fora até sua terminação. A corrente de surto está inversamente relacionada à impedância de surto: quanto maior a impedância, menor a corrente. Esse é o surto que, na maioria das vezes, resulta na destruição de aparelhos eletrônicos delicados , aparelhos elétricos ou motores elétricos . Dispositivos conhecidos como protetores de surto (SPD) ou supressores de surto de tensão transiente (TVSS) conectados em paralelo com essas linhas podem detectar a corrente irregular transitória do relâmpago e, por meio da alteração de suas propriedades físicas, encaminhar o pico para um aterramento conectado , assim protegendo o equipamento contra danos.

Tipos

Três tipos principais de relâmpagos são definidos pelos pontos "inicial" e "final" de um canal de flash.

  • O relâmpago intra-nuvem (IC) ou dentro da nuvem ocorre dentro de uma única unidade de nuvem de tempestade.
  • Cloud-to-cloud (CC) ou relâmpagos entre nuvens começam e terminam entre duas unidades de nuvem de tempestade "funcionais" diferentes.
  • O relâmpago nuvem-solo (CG) se origina principalmente na nuvem de tempestade e termina na superfície da Terra, mas também pode ocorrer na direção reversa, que é terra para nuvem.

Existem variações de cada tipo, como flashes CG "positivos" versus "negativos", que têm diferentes características físicas comuns a cada um que podem ser medidos. Diferentes nomes comuns usados ​​para descrever um determinado evento de relâmpago podem ser atribuídos ao mesmo ou a eventos diferentes.

Nuvem para o solo (CG)

Relâmpago nuvem-solo

O relâmpago nuvem-solo (CG) é uma descarga elétrica entre uma nuvem de tempestade e o solo. Ele é iniciado por um líder escalonado descendo da nuvem, que é recebido por uma serpentina subindo do solo.

CG é o menos comum, mas é o mais bem compreendido de todos os tipos de raios. É mais fácil de estudar cientificamente porque termina em um objeto físico, a saber, a Terra, e se presta a ser medido por instrumentos no solo. Dos três tipos principais de relâmpagos, ele representa a maior ameaça à vida e à propriedade, uma vez que termina ou "atinge" a Terra.

A descarga geral, denominada flash, é composta de vários processos, como análise preliminar, líderes escalonados, conectando líderes, golpes de retorno, líderes de dardo e subsequentes ataques de retorno. A condutividade do solo, seja ele, água doce ou salgada, pode afetar a taxa de descarga do raio e, portanto, as características visíveis.

Relâmpago positivo e negativo

O raio nuvem-solo (CG) é positivo ou negativo, conforme definido pela direção da corrente elétrica convencional entre a nuvem e o solo. A maioria dos relâmpagos CG é negativa, o que significa que uma carga negativa é transferida para o solo e os elétrons viajam para baixo ao longo do canal do relâmpago (convencionalmente, a corrente flui do solo para a nuvem). O inverso acontece em um flash CG positivo, onde os elétrons viajam para cima ao longo do canal do relâmpago e uma carga positiva é transferida para o solo (convencionalmente, a corrente flui da nuvem para o solo). Relâmpagos positivos são menos comuns que relâmpagos negativos e, em média, representam menos de 5% de todos os relâmpagos.

Um raio do relâmpago azul que parece iniciar a partir do claro, mas o céu turbulento acima da nuvem bigorna e dirige um raio de plasma através da nuvem diretamente para o solo. Eles são comumente chamados de flashes positivos, apesar do fato de serem geralmente negativos em polaridade.

Existem seis diferentes mecanismos teorizados para resultar na formação de raios positivos.

  • O cisalhamento do vento vertical desloca a região de carga positiva superior de uma nuvem de tempestade, expondo-a ao solo abaixo.
  • A perda de regiões de carga mais baixa no estágio de dissipação de uma tempestade, deixando a região de carga positiva primária.
  • Um arranjo complexo de regiões de carga em uma nuvem de tempestade , resultando efetivamente em um dipolo invertido ou tripolo invertido no qual a região de carga negativa principal está acima da região de carga positiva principal, em vez de abaixo dela.
  • Uma região de carga positiva inferior incomumente grande na nuvem de tempestade.
  • Corte de um líder negativo estendido de sua origem, o que cria um novo líder bidirecional no qual a extremidade positiva atinge o solo, comumente visto em flashes de aranha rastreadora de bigorna.
  • O início de uma ramificação positiva para baixo a partir de um relâmpago IC.

Ao contrário da crença popular, os relâmpagos positivos não se originam necessariamente da bigorna ou da região de carga positiva superior e atingem uma área livre de chuva fora da tempestade. Essa crença é baseada na ideia ultrapassada de que os líderes relâmpago são unipolares e se originam de suas respectivas regiões de carga.

Os relâmpagos positivos tendem a ser muito mais intensos do que os negativos. Um raio médio negativo carrega uma corrente elétrica de 30.000 amperes (30 kA) e transfere 15 coulombs de carga elétrica e 1 gigajoule de energia . Grandes raios positivos podem transportar até 120 kA e 350 C. O flash de aterramento positivo médio tem quase o dobro da corrente de pico de um flash negativo típico e pode produzir correntes de pico de até 400 kA e cargas de várias centenas de coulombs. Além disso, flashes de aterramento positivos com correntes de pico altas são comumente seguidos por longas correntes contínuas, uma correlação não vista em flashes de aterramento negativos.

Como resultado de seu maior poder, os relâmpagos positivos são consideravelmente mais perigosos do que os negativos. O relâmpago positivo produz correntes de pico mais altas e correntes contínuas mais longas, tornando-os capazes de aquecer as superfícies a níveis muito mais altos, o que aumenta a probabilidade de um incêndio ser aceso. As longas distâncias que um raio positivo pode se propagar pelo ar limpo explica por que são conhecidos como "raios do azul", sem avisar os observadores.

Apesar do equívoco popular de que esses são relâmpagos positivos devido a eles aparentemente se originarem da região de carga positiva, as observações mostraram que estes são, na verdade, flashes negativos. Eles começam como flashes de IC dentro da nuvem, o líder negativo então sai da nuvem da região de carga positiva antes de se propagar através do ar limpo e atingir o solo a alguma distância.

Relâmpagos positivos também foram mostrados para desencadear a ocorrência de relâmpagos ascendentes do topo de estruturas altas e são amplamente responsáveis ​​pela iniciação de sprites várias dezenas de quilômetros acima do nível do solo. Os relâmpagos positivos tendem a ocorrer com mais frequência em tempestades de inverno , como em trovoadas de neve , durante tornados intensos e na fase de dissipação de uma tempestade . Enormes quantidades de ondas de rádio de frequência extremamente baixa (ELF) e de frequência muito baixa (VLF) também são geradas.

Nuvem para nuvem (CC) e intra-nuvem (IC)

As descargas atmosféricas podem ocorrer entre áreas de nuvem sem entrar em contato com o solo. Quando ocorre entre duas nuvens separadas, é conhecido como relâmpago nuvem a nuvem (CC) ou relâmpago entre nuvens ; quando ocorre entre áreas de potencial elétrico diferente dentro de uma única nuvem, é conhecido como raio intra-nuvem (IC). O relâmpago IC é o tipo de ocorrência mais frequente.

Os relâmpagos IC ocorrem mais comumente entre a parte superior da bigorna e os alcances inferiores de uma determinada tempestade. Este raio pode às vezes ser observado a grandes distâncias à noite, como o chamado " raio de luz ". Em tais casos, o observador pode ver apenas um flash de luz sem ouvir nenhum trovão.

Outro termo usado para relâmpagos nuvem-nuvem ou nuvem-nuvem-solo é "Rastreador de bigorna", devido ao hábito de carregar, normalmente originando-se abaixo ou dentro da bigorna e lutando através das camadas superiores de nuvem de uma tempestade, muitas vezes gerando vários ramos dramáticos golpes. Eles geralmente são vistos quando uma tempestade passa sobre o observador ou começa a diminuir. O comportamento mais vívido do rastreador ocorre em tempestades bem desenvolvidas que apresentam cisalhamento extenso da bigorna traseira.

Variações observacionais

Anvil Crawler sobre o Lago Wright Patman ao sul de Redwater, Texas, na parte de trás de uma grande área de chuva associada a uma frente fria
  • O relâmpago de bigorna , às vezes chamado de relâmpago de aranha, é criado quando os líderes se propagam através de regiões de carga extensas horizontalmente em tempestades maduras, geralmente as regiões estratiformes de sistemas convectivos de mesoescala. Essas descargas geralmente começam como descargas de CI originando-se na região convectiva; a extremidade líder negativa então se propaga bem nas regiões de carga mencionadas na área estratiforme. Se o líder ficar muito longo, ele pode se separar em vários líderes bidirecionais. Quando isso acontece, a extremidade positiva do líder separado pode atingir o solo como um flash CG positivo ou rastejar na parte inferior da nuvem, criando uma exibição espetacular de relâmpagos rastejando pelo céu. Os relâmpagos terrestres produzidos dessa maneira tendem a transferir grandes quantidades de carga e isso pode disparar relâmpagos ascendentes e na atmosfera superior.
  • Os relâmpagos podem ser umfenômeno elétrico atmosférico , cuja natureza física ainda é controversa . O termo se refere a relatos deobjetos luminosos , geralmente esféricos , que variam do tamanho de uma ervilha a vários metros de diâmetro. Às vezes é associado a tempestades , mas ao contrário dos relâmpagos, que duram apenas uma fração de segundo, os relâmpagos duram supostamente muitos segundos. Raios de bola foram descritos por testemunhas oculares, mas raramente registrados por meteorologistas . Os dados científicos sobre os raios ultravioleta naturais são escassos devido à sua infrequência e imprevisibilidade. A presunção de sua existência é baseada em relatos de avistamentos públicos e, portanto, produziu descobertas um tanto inconsistentes. Brett Porter, um guarda-florestal, relatou ter tirado uma foto em Queensland, Austrália, em 1987.

  • Bead lightning , também conhecido pelos termos pearl lightning, chain lightning, perlschnurblitz e éclair en chapelet, para citar alguns, é o estágio de decadência de um canal de relâmpago no qual a luminosidade do canal se divide em segmentos. Quase todas as descargas de relâmpagos exibem formação de gotas à medida que o canal esfria imediatamente após um golpe de retorno, às vezes referido como o estágio de "saída" do relâmpago. 'Raios de contas' são mais propriamente um estágio de uma descarga normal de raios do que um tipo de raios em si. Beading de um canal de relâmpago é geralmente um recurso de pequena escala e, portanto, só é aparente quando o observador / câmera está perto do relâmpago.
Jato gigantesco visto do cume do Mauna Kea , no Havaí.
  • O relâmpago claro descreve o relâmpago que ocorre sem nenhuma nuvem aparente perto o suficiente para tê-lo produzido. Nas Montanhas Rochosas dos EUA e Canadá , uma tempestade pode ocorrer em um vale adjacente e não ser observável do vale onde o raio cai, seja visual ou audivelmente. As áreas montanhosas da Europa e da Ásia passam por eventos semelhantes. Também em áreas como sons , grandes lagos ou planícies abertas, quando a célula de tempestade está no horizonte próximo (dentro de 26 km ou 16 milhas), pode haver alguma atividade distante, uma greve pode ocorrer e como a tempestade está muito longe, a batida é conhecida como um raio vindo do azul . Esses flashes geralmente começam como flashes de relâmpagos IC normais antes do líder negativo sair da nuvem e atingir o solo a uma distância considerável. Ataques positivos no ar puro podem ocorrer em ambientes altamente cortados onde a região de carga positiva superior torna-se deslocada horizontalmente da área de precipitação.
  • O relâmpago nuvem-ar é um relâmpago no qual uma extremidade de um líder bidirecional sai da nuvem, mas não resulta em um relâmpago no solo. Às vezes, esses flashes podem ser considerados como flashes de solo falhados. Jatos azuis e gigantescos são uma forma de relâmpago nuvem-ar ou nuvem-ionosfera onde um líder é lançado do topo de uma tempestade.
  • O flash da coroa é um relâmpago acompanhado pelo brilho da coroa da tempestade seguido pela emanação de serpentinas semelhantes a auroras na atmosfera límpida.
  • O relâmpago seco é usado na Austrália, Canadá e Estados Unidos para relâmpagos que ocorrem sem precipitação na superfície. Esse tipo de raio é a causa natural mais comum de incêndios florestais . As nuvens pirocúmulos produzem relâmpagos pela mesma razão que são produzidos pelas nuvens cúmulos-nimbos.

  • O relâmpago bifurcado é um relâmpago nuvem-solo que exibe ramificações em seu caminho.
  • O relâmpago de calor é um relâmpago que parece não produzir nenhum trovão perceptívelporque ocorre muito longe para que o trovão seja ouvido. As ondas sonoras se dissipam antes de chegarem ao observador.

  • O raio da fita ocorre em tempestades com fortes ventos cruzados e vários golpes de retorno. O vento soprará cada golpe de retorno sucessivo ligeiramente para um lado do golpe de retorno anterior, causando um efeito de fita.

  • O raio de foguete é uma forma de descarga de nuvem, geralmente horizontal e na base da nuvem, com um canal luminoso que parece avançar pelo ar com velocidade visualmente resolvível, muitas vezes de forma intermitente.

  • O relâmpago em folha é um relâmpago nuvem a nuvem que exibe um brilho difuso da superfície de uma nuvem, causado pelo fato de o caminho de descarga real estar oculto ou muito distante. O próprio relâmpago não pode ser visto pelo espectador, por isso aparece apenas como um flash, ou uma folha de luz. O relâmpago pode estar muito longe para discernir flashes individuais.

  • O raio de canal suave é um termo informal que se refere a um tipo de queda de raio nuvem-solo que não tem ramificações visíveis e aparece como uma linha com curvas suaves em oposição à aparência irregular da maioria dos canais de raio. Eles são uma forma de raio positivo geralmente observada em ou perto das regiões convectivas de fortes tempestades no centro-norte dos Estados Unidos. É teorizado que tempestades severas nesta região obtêm uma estrutura de carga "tripolo invertido" em que a região de carga positiva principal está localizada abaixo da região de carga negativa principal, em vez de acima dela, e como resultado, essas tempestades geram nuvem-para- predominantemente positiva relâmpago no solo. O termo "relâmpago de canal suave" também é algumas vezes atribuído a relâmpagos ascendentes do solo à nuvem, que geralmente são relâmpagos negativos iniciados por líderes positivos ascendentes de estruturas altas.

  • O relâmpago staccato é um relâmpago nuvem-solo (CG) que é um golpe de curta duração que (frequentemente, mas não sempre) aparece como um único clarão muito brilhante e freqüentemente tem ramificações consideráveis. Estes são frequentemente encontrados na área da abóbada visual perto do mesociclone das tempestades rotativas e coincidem com a intensificação das correntes ascendentes das tempestades . Um ataque nuvem-a-nuvem semelhante, consistindo em um breve clarão sobre uma pequena área, parecendo uma mancha, também ocorre em uma área semelhante de correntes ascendentes rotativas.
Este CG teve uma duração muito curta, exibiu canais altamente ramificados e era muito brilhante, indicando que era um relâmpago em staccato perto de New Boston, Texas.

  • Superbolts são vagamente definidos como ataques com uma fonte de energia de mais de 100 gigajoule [100 GJ] (a maioria dos raios ocorrem em cerca de 1 gigajoule [1 GJ]). Eventos dessa magnitude ocorrem com a mesma freqüência de um em 240 ataques. Eles não são categoricamente distintos dos raios comuns e simplesmente representam a borda superior de um continuum. Ao contrário do equívoco popular, superbolts podem ter carga positiva ou negativa, e a relação de carga é comparável à de um raio "comum".

  • Relâmpago simpático é a tendência de o relâmpago ser vagamente coordenado por longas distâncias. As descargas podem aparecer em aglomerados quando vistas do espaço.
  • Relâmpago ascendente ou relâmpago terra-nuvem é um relâmpago que se origina do topo de um objeto aterrado e se propaga para cima a partir deste ponto. Esse tipo de relâmpago pode ser disparado por um relâmpago anterior ou pode ser iniciado inteiramente por conta própria. O primeiro é geralmente encontrado em regiões onde ocorrem raios de aranha e podem envolver vários objetos aterrados simultaneamente. O último geralmente ocorre durante a estação fria e pode ser o tipo de raio dominante em eventos com trovoada.

Efeitos

Relâmpago

Efeitos em objetos

A pressão do vapor explosivo entre o tronco e a casca da queda de um raio destruiu a casca de bétula

Objetos atingidos por raios experimentam calor e forças magnéticas de grande magnitude. O calor gerado pelas correntes de raios que percorrem uma árvore pode vaporizar sua seiva, causando uma explosão de vapor que rompe o tronco. Conforme o raio viaja pelo solo arenoso, o solo ao redor do canal de plasma pode derreter, formando estruturas tubulares chamadas fulguritos .

Efeitos em edifícios e veículos

Prédios ou estruturas altas atingidas por raios podem ser danificados, pois os raios procuram caminhos desimpedidos para o solo. Ao conduzir com segurança um raio ao solo, um sistema de proteção contra raios, geralmente incorporando pelo menos um pára-raios , pode reduzir muito a probabilidade de danos materiais graves.

Aeronaves são altamente suscetíveis a serem atingidas devido às suas fuselagens metálicas, mas quedas de raios geralmente não são perigosas para elas. Devido às propriedades condutoras da liga de alumínio , a fuselagem atua como uma gaiola de Faraday .

Efeitos em animais

Embora 90 por cento das pessoas atingidas por um raio sobrevivam, os animais - incluindo humanos - atingidos por um raio podem sofrer ferimentos graves devido a danos nos órgãos internos e no sistema nervoso.

Outros efeitos

O relâmpago desempenha um papel importante no ciclo do nitrogênio, oxidando o nitrogênio diatômico do ar em nitratos que são depositados pela chuva e podem fertilizar o crescimento de plantas e outros organismos.

Trovão

Como a descarga eletrostática do relâmpago terrestre superaquece o ar às temperaturas do plasma ao longo do comprimento do canal de descarga em uma curta duração, a teoria cinética determina que as moléculas gasosas sofram um rápido aumento na pressão e, assim, se expandam para fora do relâmpago, criando uma onda de choque audível como um trovão . Uma vez que as ondas sonoras se propagam não a partir de uma única fonte pontual, mas ao longo do caminho do raio, as distâncias variáveis ​​da origem do som do observador podem gerar um efeito de rolamento ou estrondo. A percepção das características sônicas é ainda mais complicada por fatores como a geometria irregular e possivelmente ramificada do canal do raio, pelo eco acústico do terreno e pela característica geralmente de múltiplos golpes do raio.

A luz viaja a cerca de 300.000.000 m / s (980.000.000 pés / s), e o som viaja pelo ar a cerca de 343 m / s (1.130 pés / s). Um observador pode aproximar a distância do golpe cronometrando o intervalo entre o raio visível e o trovão audível que ele gera. Um relâmpago precedendo seu trovão por um segundo teria aproximadamente 343 m (1.125 pés) de distância; um atraso de três segundos indicaria uma distância de cerca de 1 km ou 0,62 mi (3 × 343 m). Um flash precedendo o trovão em cinco segundos indicaria uma distância de aproximadamente 1,7 km ou 1,1 mi (5 × 343 m). Conseqüentemente, um relâmpago observado a uma distância muito próxima será acompanhado por um estrondo repentino de um trovão, com quase nenhum lapso de tempo perceptível, possivelmente acompanhado pelo cheiro de ozônio (O 3 ).

Relâmpagos a uma distância suficiente podem ser vistos e não ouvidos; há dados de que uma tempestade elétrica pode ser vista a mais de 160 km (100 mi), enquanto o trovão percorre cerca de 32 km (20 mi). Curiosamente, há muitos exemplos de pessoas dizendo 'a tempestade estava diretamente acima ou em toda a volta e ainda não havia trovão'. Como as nuvens de tempestade podem ter até 20 km de altura, os relâmpagos que ocorrem no alto da nuvem podem parecer próximos, mas na verdade estão muito distantes para produzir trovões perceptíveis.

Rádio

As descargas atmosféricas geram pulsos de radiofrequência que podem ser recebidos a milhares de quilômetros de sua fonte como sinais atmosféricos de rádio e assobiadores.

Radiação de alta energia

A produção de raios-X por um raio foi teoricamente prevista já em 1925, mas nenhuma evidência foi encontrada até 2001/2002, quando pesquisadores do Instituto de Mineração e Tecnologia do Novo México detectaram emissões de raios-X de um relâmpago induzido ao longo de um fio aterrado atrás de um foguete disparado em uma nuvem de tempestade. No mesmo ano , pesquisadores da Universidade da Flórida e da Florida Tech usaram uma série de detectores de campo elétrico e de raios-X em uma instalação de pesquisa de raios no norte da Flórida para confirmar que os raios naturais produzem raios-X em grandes quantidades durante a propagação de líderes escalonados. A causa das emissões de raios-X ainda é um assunto para pesquisa, pois a temperatura do raio é muito baixa para explicar os raios-X observados.

Uma série de observações por telescópios baseados no espaço revelaram emissões de raios gama de energia ainda mais altas , os chamados flashes de raios gama terrestres (TGFs). Essas observações representam um desafio para as teorias atuais sobre raios, especialmente com a recente descoberta das assinaturas claras de antimatéria produzidas em raios. Pesquisas recentes mostraram que espécies secundárias, produzidas por esses TGFs, como elétrons , pósitrons , nêutrons ou prótons , podem ganhar energias de até várias dezenas de MeV.

Ozônio e óxidos de nitrogênio

As altíssimas temperaturas geradas por raios levam a aumentos locais significativos de ozônio e óxidos de nitrogênio . Cada relâmpago em áreas temperadas e subtropicais produz em média 7 kg de NOx. Na troposfera, o efeito do raio pode aumentar o NOx em 90% e o ozônio em 30%.

Vulcânico

O material vulcânico lançado na atmosfera pode causar relâmpagos.

A atividade vulcânica produz condições favoráveis ​​aos raios de várias maneiras. A enorme quantidade de material pulverizado e gases ejetados de forma explosiva na atmosfera cria uma densa nuvem de partículas. A densidade de cinzas e o movimento constante dentro da pluma vulcânica produzem carga por interações de fricção (triboeletrificação), resultando em flashes muito poderosos e frequentes enquanto a nuvem tenta se neutralizar. Devido ao extenso conteúdo de material sólido (cinzas), ao contrário das zonas geradoras de carga ricas em água de uma nuvem normal de trovoada, muitas vezes é chamado de tempestade suja .

  • Flashes poderosos e frequentes foram testemunhados na pluma vulcânica desde a erupção do Vesúvio em 79 DC por Plínio, o Jovem .
  • Da mesma forma, vapores e cinzas provenientes de aberturas nos flancos do vulcão podem produzir flashes mais localizados e menores acima de 2,9 km de comprimento.
  • Faíscas pequenas e de curta duração , recentemente documentadas perto do magma recém-extrudado, atestam que o material está altamente carregado antes mesmo de entrar na atmosfera.

Se a nuvem de cinza vulcânica atinge temperaturas de congelamento, as partículas de gelo se formam e colidem com as partículas de cinza para causar a eletrificação. Os relâmpagos podem ser detectados em qualquer explosão, mas a causa da eletrificação adicional de partículas de gelo nas cinzas pode levar a um campo elétrico mais forte e a uma taxa mais alta de relâmpagos detectáveis. O relâmpago também é usado como uma ferramenta de monitoramento de vulcão para detectar erupções perigosas.

Relâmpago de fogo

Incêndios florestais intensos, como os vistos na temporada de incêndios florestais australianos de 2019-2020 , podem criar seus próprios sistemas climáticos que podem produzir raios e outros fenômenos climáticos. O calor intenso de um incêndio faz com que o ar suba rapidamente dentro da coluna de fumaça, causando a formação de nuvens pirocumulonimbus . O ar mais frio é aspirado por esse ar turbulento e ascendente, ajudando a resfriar a pluma. A pluma ascendente é ainda mais resfriada pela pressão atmosférica mais baixa em grandes altitudes, permitindo que a umidade nela se condense em nuvens. Nuvens pirocumulonimbus se formam em uma atmosfera instável. Esses sistemas climáticos podem produzir relâmpagos secos, tornados de fogo , ventos intensos e granizo sujo.

Extraterrestre

Relâmpagos foram observados na atmosfera de outros planetas , como Júpiter e Saturno . Embora sejam uma minoria na Terra, os superbolts parecem ser comuns em Júpiter.

Raios em Vênus têm sido um assunto controverso após décadas de estudos. Durante as missões Soviética Venera e US Pioneer das décadas de 1970 e 1980, foram detectados sinais sugerindo que relâmpagos podem estar presentes na atmosfera superior. Embora a missão Cassini-Huygens sobrevoando Vênus em 1999 não tenha detectado sinais de relâmpagos, a janela de observação durou apenas algumas horas. Pulsos de rádio registrados pela espaçonave Venus Express (que começou a orbitar Vênus em abril de 2006) podem se originar de um raio em Vênus.

Fenômenos relacionados ao homem

  • Rastos de rastos de aviões também foram observados para influenciar os relâmpagos em um pequeno grau. Os rastros de vapor de água densos de aviões podem fornecer um caminho de resistência inferior através da atmosfera, tendo alguma influência sobre o estabelecimento de um caminho iônico para um relâmpago seguir.
  • As plumas de exaustão do foguete forneceram um caminho para o relâmpago quando ele foi testemunhado atingindo o foguete Apollo 12 logo após a decolagem.
  • Explosões termonucleares , ao fornecer material extra para condução elétrica e uma atmosfera localizada muito turbulenta, foram vistas desencadeando relâmpagos dentro da nuvem em cogumelo. Além disso, a intensa radiação gama de grandes explosões nucleares pode desenvolver regiões intensamente carregadas no ar circundante por meio do espalhamento Compton . As regiões de carga espacial intensamente carregadas criam múltiplas descargas atmosféricas de ar puro logo após a detonação do dispositivo.

Estudo científico

A ciência do raio é chamada fulminologia .

Propriedades

O trovão é ouvido como um estrondo que se dissipa gradualmente, porque o som de diferentes partes de uma longa pancada chega em momentos ligeiramente diferentes.

Quando o campo elétrico local excede a rigidez dielétrica do ar úmido (cerca de 3 megavolts por metro), a descarga elétrica resulta em um ataque , geralmente seguido por descargas proporcionais que se ramificam do mesmo caminho. Os mecanismos que fazem com que as cargas se transformem em raios ainda são uma questão de investigação científica. Um estudo de 2016 confirmou que está envolvida uma ruptura dielétrica. Os relâmpagos podem ser causados ​​pela circulação de ar quente e úmido através de campos elétricos . Partículas de gelo ou água então acumulam carga como em um gerador Van de Graaff .

Pesquisadores da Universidade da Flórida descobriram que as velocidades unidimensionais finais de 10 flashes observados estavam entre 1,0 × 10 5 e 1,4 × 10 6 m / s, com uma média de 4,4 × 10 5 m / s.

Detecção e monitoramento

Contador de relâmpagos em museu

O primeiro detector inventado para alertar sobre a aproximação de uma tempestade foi o sino do relâmpago . Benjamin Franklin instalou um desses dispositivos em sua casa. O detector era baseado em um dispositivo eletrostático denominado 'carrilhões elétricos', inventado por Andrew Gordon em 1742.

As descargas atmosféricas geram uma ampla gama de radiações eletromagnéticas, incluindo pulsos de radiofrequência. Os momentos em que um pulso de uma dada descarga elétrica chega a vários receptores podem ser usados ​​para localizar a fonte da descarga com uma precisão da ordem de metros. O governo federal dos Estados Unidos construiu uma rede nacional de detectores de raios, permitindo que as descargas de raios sejam rastreadas em tempo real em todo o território continental dos EUA. Além disso, um sistema de detecção global privado que consiste em mais de 500 estações de detecção pertencentes e operadas por amadores / voluntários fornece mapas de raios quase em tempo real em blitzortung.org

O guia de ondas da ionosfera da Terra captura ondas eletromagnéticas VLF - e ELF . Pulsos eletromagnéticos transmitidos por descargas atmosféricas se propagam dentro desse guia de ondas. O guia de ondas é dispersivo, o que significa que a velocidade do grupo depende da frequência. A diferença do atraso de tempo de grupo de um pulso de raio em frequências adjacentes é proporcional à distância entre o transmissor e o receptor. Juntamente com métodos de localização, isso permite localizar relâmpagos em distâncias de até 10.000 km de sua origem. Além disso, as frequências próprias do guia de ondas ionosférico da Terra, as ressonâncias de Schumann em cerca de 7,5 Hz, são usadas para determinar a atividade global da tempestade.

Além da detecção de raios baseada no solo, vários instrumentos a bordo de satélites foram construídos para observar a distribuição dos raios. Isso inclui o Detector Óptico de Transientes (OTD), a bordo do satélite OrbView-1 lançado em 3 de abril de 1995, e o subsequente Sensor de Imagens de Relâmpago (LIS) a bordo do TRMM lançado em 28 de novembro de 1997.

A partir de 2016, a Administração Oceânica e Atmosférica Nacional lançou satélites meteorológicos Geostationary Operational Environmental Satellite – R Series (GOES-R) equipados com instrumentos Geostationary Lightning Mapper (GLM) que são detectores ópticos transientes próximos do infravermelho que podem detectar as mudanças momentâneas em um cena ótica, indicando a presença de raios. Os dados de detecção de iluminação podem ser convertidos em um mapa em tempo real da atividade de raios em todo o hemisfério ocidental; esta técnica de mapeamento foi implementada pelo Serviço Nacional de Meteorologia dos Estados Unidos .

Ativado artificialmente

  • Os relâmpagos disparados por foguetes podem ser "disparados" com o lançamento de foguetes especialmente projetados, arrastando carretéis de fio em direção às tempestades. O fio se desenrola conforme o foguete sobe, criando um terreno elevado que pode atrair líderes descendentes. Se um líder for conectado, o fio fornece um caminho de baixa resistência para que ocorra um relâmpago. O fio é vaporizado pelo fluxo de corrente de retorno, criando um canal de plasma direto em seu lugar. Este método permite que a pesquisa científica sobre raios ocorra de uma maneira mais controlada e previsível.
    O Centro Internacional para Pesquisa e Teste de Relâmpagos (ICLRT) em Camp Blanding, Flórida, normalmente usa relâmpagos acionados por foguetes em seus estudos de pesquisa.
  • Disparado por laser
    Desde a década de 1970, pesquisadores tentam disparar raios por meio de lasers infravermelhos ou ultravioleta, que criam um canal de gás ionizado por meio do qual os raios seriam conduzidos ao solo. Esse disparo de relâmpagos tem como objetivo proteger plataformas de lançamento de foguetes, instalações de energia elétrica e outros alvos sensíveis.
    No Novo México, EUA, cientistas testaram um novo laser de terawatt que provocou raios. Os cientistas dispararam pulsos ultrarrápidos de um laser extremamente poderoso, enviando assim vários terawatts para as nuvens para invocar descargas elétricas em nuvens de tempestade sobre a região. Os feixes de laser enviados do laser formam canais de moléculas ionizadas conhecidas como filamentos . Antes de o raio atingir a Terra, os filamentos conduzem eletricidade através das nuvens, desempenhando o papel de pára-raios. Os pesquisadores geraram filamentos que viveram um período muito curto para desencadear um verdadeiro relâmpago. No entanto, um aumento na atividade elétrica dentro das nuvens foi registrado. De acordo com os cientistas franceses e alemães que realizaram o experimento, os impulsos rápidos enviados do laser serão capazes de provocar quedas de raios sob demanda. A análise estatística mostrou que seus pulsos de laser de fato aumentaram a atividade elétrica na nuvem de tempestade para onde era direcionado - na verdade, eles geraram pequenas descargas locais localizadas na posição dos canais de plasma .

Manifestações físicas

A magnetização remanescente induzida por raios (LIRM) mapeada durante uma pesquisa de gradiente de campo magnético de um sítio arqueológico localizado em Wyoming, Estados Unidos.

Magnetismo

O movimento de cargas elétricas produz um campo magnético (ver eletromagnetismo ). As correntes intensas de uma descarga elétrica criam um campo magnético fugaz, mas muito forte. Onde o caminho da corrente elétrica passa através de rocha, solo ou metal, esses materiais podem ficar permanentemente magnetizados. Este efeito é conhecido como magnetismo remanente induzido por raio ou LIRM. Essas correntes seguem o caminho menos resistivo, muitas vezes horizontalmente próximo à superfície, mas às vezes verticalmente, onde falhas, corpos de minério ou água subterrânea oferecem um caminho menos resistivo. Uma teoria sugere que as magnetitas , ímãs naturais encontrados nos tempos antigos, foram criadas dessa maneira.

Anomalias magnéticas induzidas por raios podem ser mapeadas no solo e a análise de materiais magnetizados pode confirmar que o raio foi a fonte da magnetização e fornecer uma estimativa da corrente de pico da descarga do raio.

Uma pesquisa na Universidade de Innsbruck descobriu que os campos magnéticos gerados pelo plasma podem induzir alucinações em indivíduos localizados a 200 m (660 pés) de uma forte tempestade com raios.

Vento solar e raios cósmicos

Alguns raios cósmicos de alta energia produzidos por supernovas, bem como partículas solares do vento solar, entram na atmosfera e eletrificam o ar, o que pode criar caminhos para relâmpagos.

Relâmpagos e mudanças climáticas

Devido à baixa resolução dos modelos climáticos globais, representar com precisão os relâmpagos nesses modelos climáticos é difícil, em grande parte devido à sua incapacidade de simular a convecção e o imperativo de gelo de nuvem, que são fundamentais para a formação de relâmpagos. A pesquisa do programa Future Climate for Africa demonstra que o uso de um modelo de permissão de convecção na África pode capturar com mais precisão tempestades convectivas e a distribuição de partículas de gelo. Esta pesquisa indica que a mudança climática pode aumentar a quantidade total de raios apenas ligeiramente: o número total de dias com raios por ano diminui, enquanto mais nuvens de gelo e convecção mais forte levam a mais relâmpagos ocorrendo nos dias em que os raios ocorrem.

Um estudo da Universidade de Washington analisou a atividade de raios no Ártico de 2010 a 2020. A proporção de acidentes vasculares cerebrais árticos foi comparada ao total de acidentes vasculares cerebrais globais e foi observado que está aumentando com o tempo, indicando que a região está se tornando mais influenciada por raios . A fração de cursos acima de 65 graus norte foi encontrada para aumentar linearmente com a anomalia de temperatura global NOAA e cresceu por um fator de 3 conforme a anomalia aumentou de 0,65 para 0,95 ° C

Paleolightning

Paleolightning refere-se aos restos da atividade de relâmpagos antiga estudados em áreas como geologia histórica , Geoarqueologia , e fulminology . Paleolightning fornece evidências tangíveis para o estudo da atividade de relâmpagos no passado da Terra e os papéis que os relâmpagos podem ter desempenhado na história da Terra. Alguns estudos especularam que a atividade dos raios desempenhou um papel crucial no desenvolvimento não apenas da atmosfera primitiva da Terra, mas também no início da vida. Descobriu-se que o relâmpago, um processo não biológico, produz material biologicamente útil por meio da oxidação e redução de matéria inorgânica. A pesquisa sobre o impacto dos raios na atmosfera da Terra continua até hoje, especialmente no que diz respeito aos mecanismos de feedback de compostos de nitrato produzidos por raios sobre a composição atmosférica e as temperaturas médias globais.

Detectar a atividade de raios no registro geológico pode ser difícil, dada a natureza instantânea dos raios em geral. No entanto, a fulgurita , um mineralóide semelhante a um tubo vítreo, semelhante a uma crosta ou irregular que se forma quando um raio funde solo , areias de quartzo , argila , rocha , biomassa ou caliche, é prevalente em regiões eletricamente ativas ao redor do globo e fornece evidências de que não apenas atividade relâmpago passada, mas também padrões de convecção . Como os canais de relâmpagos conduzem uma corrente elétrica para o solo, os relâmpagos também podem produzir campos magnéticos . Embora as anomalias magnéticas de relâmpagos possam fornecer evidências da atividade de relâmpagos em uma região, essas anomalias são frequentemente problemáticas para aqueles que examinam o registro magnético de tipos de rocha porque disfarçam os campos magnéticos naturais presentes.

Na cultura e religião

Religião e mitologia

Relâmpago de Mikalojus Konstantinas Ciurlionis (1909)

Em muitas culturas, o relâmpago é visto como parte de uma divindade ou divindade em si. Estes incluem o deus grego Zeus , o Aztec deus Tlaloc , o maia Deus K , eslava mitologia 's Perun , o Báltico Pērkons / Perkunas , Thor na mitologia nórdica , Ukko na mitologia finlandesa , o Hindu deus Indra , eo Shinto deus Raijin . Na religião tradicional das tribos Bantu africanas , os raios são um sinal da ira dos deuses. Versos na religião judaica e no Islã também atribuem importância sobrenatural aos raios. No Cristianismo , a Segunda Vinda de Jesus é comparada a um raio.

Expressões e provérbios

A expressão "O relâmpago nunca bate duas vezes (no mesmo lugar)" é semelhante a "Oportunidade nunca bate duas vezes" no sentido de uma oportunidade "uma vez na vida", ou seja , algo que geralmente é considerado improvável. Os relâmpagos ocorrem com frequência e mais ainda em áreas específicas. Uma vez que vários fatores alteram a probabilidade de quedas em qualquer local, os relâmpagos repetidos têm uma probabilidade muito baixa (mas não são impossíveis). Da mesma forma, "Um raio do azul" se refere a algo totalmente inesperado, e "Uma pessoa sendo atingida por um raio" é uma metáfora imaginativa ou cômica para alguém experimentar uma revelação única na vida, marcante e repentina à velocidade da luz, semelhante a uma epifania ou uma iluminação .

Em francês e italiano, a expressão para "Amor à primeira vista" é coup de foudre e colpo di fulmine , respectivamente, que traduzida literalmente significa "queda de raio". Algumas línguas europeias têm uma palavra separada para relâmpagos que atingem o solo (em oposição aos relâmpagos em geral); freqüentemente é um cognato da palavra inglesa "rays". O nome do cavalo puro- sangue mais famoso da Austrália , Phar Lap , deriva da palavra compartilhada em zhuang e tailandês para relâmpago.

Cultura política e militar

Dois relâmpagos retratado no antigo brasão da Yli-Ii município

O relâmpago na heráldica é chamado de raio e é mostrado como um zigue-zague com pontas não pontiagudas. Este símbolo geralmente representa potência e velocidade.

Alguns partidos políticos usam relâmpagos como símbolo de poder, como o People's Action Party em Cingapura , a British Union of Fascists durante a década de 1930 e o National States 'Rights Party nos Estados Unidos durante a década de 1950. O Schutzstaffel , a ala paramilitar do Partido Nazista , usava a runa Sig em seu logotipo, que simboliza o relâmpago. A palavra alemã Blitzkrieg , que significa "guerra relâmpago", foi uma importante estratégia ofensiva do exército alemão durante a Segunda Guerra Mundial.

O relâmpago é uma insígnia comum para unidades de comunicações militares em todo o mundo. Um raio também é o símbolo da OTAN para um recurso de sinal .

Arte e Design

O raio é usado para representar as capacidades de comunicação instantânea de telégrafos e rádios elétricos . Era um motivo comumente usado no design Art Déco , especialmente o design Art Déco em zigue-zague do final dos anos 1920.

O símbolo Unicode para relâmpagos é ☇ U + 2607.

Veja também

Referências

Notas

Bibliografia

Domínio público Este artigo incorpora  material de domínio público do documento da National Oceanic and Atmospheric Administration : "Understanding Lightning: Thunderstorm Electrification" .

Leitura adicional

links externos