Eletrificação das tempestades
As tempestades são caracterizadas por nuvens frias, a presença de descargas atmosféricas na atmosfera, é uma conseqüência da separação localizada de cargas elétricas dentro das nuvens. Durante a formação de uma nuvem, enquanto a água estiver na fase líquida, podemos caracterizar a nuvem como “nuvem quente”. Por outro lado, se cristais de gelo estão envolvidos no processo de formação da precipitação, a nuvem é caracterizado como “nuvem fria”, independentemente de qual seja a sua temperatura ao atingir o solo. Uma nuvem de tempestade inicia-se com a elevação de uma parcela de ar quente e úmido, seja por correntes ascendentes (advecção, efeitos orográficos, efeitos dinâmicos ou convecção térmica) ou por agentes forçantes (montanhas, frentes frias, etc.). Enquanto sobe na atmosfera a parcela sofre expansão em decorrência da diminuição da pressão atmosférica com a altura e resfria-se por expansão adiabática.O resfriamento provoca uma diminuição da capacidade da parcela em reter o vapor de água e conseqüentemente ocorre um aumento da umidade relativa do ar, neste estágio o resfriamento pode causar saturação desta parcela e a condensação sobre núcleos apropriados, as quais são chamadas de núcleo de condensação (NC), estes núcleos de condensação são facilitados pela presença de hidrometeoros, que são partículas de água, líquidas ou sólidas, em queda ou em suspensão na atmosfera e que podem ser elevadas da superfície por ventos ou depositadas sobre objetos. O nível em que isto ocorre define-se como o nível de condensação por levantamento (NCL) e a partir deste nível, ocorre liberação de calor latente de condensação. A liberação de calor latente tende a diminuir a taxa de resfriamento, embora a parcela continue a sofrer resfriamento adiabático (PRUPPACHER, 1978).Se a atmosfera for absolutamente instável, a parcela pode continuar a desenvolver-se verticalmente e ultrapassar a altitude onde a temperatura está abaixo do nível de congelamento (isoterma de 0 oC), neste nível há a formação de cristais de gelo, que ainda coexistem com as gotículas de água. O crescimento dos cristais de gelo no interior da nuvem pode ser dado por deposição direta de vapor, após isto é possível o crescimento por sucessivas colisões, no entanto em algumas nuvens o processo de crescimento ocorre também por agregação e acreção.
CARREGAMENTO DAS TEMPESTADES
A transferência de carga descrita nestas hipóteses é explicada nos instantes iniciais da formação da estrutura elétrica da nuvem, e ocorre através das colisões de partículas de diferentes tamanhos em instantes posteriores a formação da nuvem, a presença ou não de um campo elétrico, de dentro de uma nuvem de tempestade pode chegar á ~120 kV/m, possibilita a polarização dos hidrometeoros[2] pelos mecanismos de carregamento que podem ser: mecanismos indutivos[3], mecanismos não-indutivos[4], mecanismo de captura de íons[5] e mecanismo indutivo de partícula-partícula[6]. Dos mecanismos que melhor explicam a transferência de cargas, há uma preferência pelo processo não–indutivo, devido à possibilidade de se desprezar a existência prévia de um campo elétrico. Em tempestades a concentração de íons é insuficiente para que ocorra uma captura seletiva de íons, desta forma o mecanismo de captura seletiva de íons descreve de maneira parcial o desenvolvimento do campo elétrico dentro de uma nuvem de tempestade. Para prevalecer o mecanismo indutivo é condição necessária que as partículas que colidem se separem e o tempo de contato entre estas deve ser suficientemente longo para que ocorra transferência de cargas. (MACGORMAN, 1998; MASON, 2003; WILLIAMS, 1988).
OS PROCESSOS DE UMA DESCARGA ATMOSFÉRICA
Um relâmpago nuvem-solo inicia-se através da quebra de rigidez dielétrica do ar dentro da nuvem. A presença da condutividade e de cargas na superfície da Terra infere um campo elétrico de tempo bom, em geral orientado em direção ao solo. Nos continentes a média do campo elétrico é cerca de 120 V/m, contudo assumindo um aumento exponencial da condutividade elétrica da superfície com a altitude, o campo elétrico decresce na mesma proporção, (no entanto, próximo ao solo o campo elétrico apresenta variações atribuídas aos movimentos das cargas além das variações diurnas e sazonais), assim uma descarga atmosférica é causada por um intenso campo elétrico dentro da nuvem (entre 100-400 kV/m) que excede o campo local (~120 V/m) permitindo a quebra de rigidez (MASON, 2003). O processo de quebra de rigidez tem uma duração média de 100 milissegundos. Este processo estabelece as condições para que as cargas sejam levadas rumo ao solo pelo Líder Escalonado ou Stepped Leader .Sobre a influência do campo elétrico estabelecido entre a nuvem e o solo (assumindo um direcionamento para o solo do campo elétrico e uma descarga negativa), as cargas negativas então movem-se aleatoriamente em etapas parando repetidas vezes no ar, em intervalos de alguns metros (~50m), em direção ao solo. Ao longo do caminho, algumas cargas seguem outros rumos devido à influência de cargas na atmosfera ao redor do canal, formando ramificações. As cargas no canal movem-se rumo ao solo com velocidade média de cerca de 100 km/s produzindo uma fraca luminosidade em uma região com diâmetro entre 1 e 10 metros ao longo do qual a carga é depositada. Quando o canal do líder escalonado aproxima-se do solo, a carga elétrica contida no canal produz um campo elétrico intenso entre a extremidade do líder e o solo, fazendo com que ocorra uma descarga positiva ascendente denominada Descarga Conectante ou Upward Leader .
Quando um dos líderes conectantes encontra o líder escalonado, o canal do relâmpago está formado, ocorre o chamado “Attachment”. E ocorre a Descarga de Retorno ou Return Stroke . Frequentemente os processos de lideres e descargas repetem-se no mesmo canal ionizado em diferentes intervalos. O Líder Subseqüente ou Dart Leader move-se pelo mesmo canal como o líder escalonado original que em geral não possui ramificações. Devido à resistência elétrica do canal agora ser baixa, o líder contínuo descende rapidamente e quando se aproxima do solo, normalmente ocorre uma descarga de retorno para a nuvem.Ocasionalmente, o flash é uma referência utilizada para descrever às várias descargas no sentido do conjunto de correntes de retorno “Descargas Subseqüentes ou Dart Leader” envolvidas após o fechamento do canal.Durante este processo campos elétricos e magnéticos sofrem variações no tempo e no espaço, desta forma as descargas atmosféricas produzem sinais eletromagnéticos conhecidos, no espectro de rádio, como Radio Atmospherics – Sferics, sendo a maior parte da energia irradiada presente no espectro do Very Low Frequency (VLF) e Extremely Low Frequency (ELF). Este espectro eletromagnético consegue se propagar a longas distâncias pelo guia de onda formada pela baixa Ionosfera e a superfície da Terra (BARR et. al, 2000; BUDDEN, 1951; LEE, 1989). Radio Atmospherics Desde 1920 até 1960 a parte da atmosfera com grande concentração de elétrons livres e íons, mais tarde conhecida com ionosfera, propôs a base para as explorações por ondas de rádio. Mais de 20 anos depois das formulações das equações de Maxwell em 1860, Hertz comprovou a propagação de ondas eletromagnéticas (ORSINI, 1950).Sferics são pulsos de curta duração (entre 1 – 10 ms) com campos elétricos verticais provenientes de descargas atmosféricas. O significado espectral da forma de onda pode ser usado para estudos a respeito da propagação de ondas de rádio pelo guia de onda formado pela superfície da Terra e a baixa ionosfera (TAYLOR, 1960). O pulso eletromagnético gerado por uma descarga atmosférica está situado numa banda larga do espectro eletromagnético, contudo, a maior parte da energia irradiada encontra-se no espectro do Very Low Frequency (VLF) e Extremely Low Frequency (ELF), estas energias se propagam livremente pelo guia de onda formado pela baixa ionosfera e a superfície terrestre (Cummer, 1997).
[1] http://www.nasa.gov/vision/universe/solarsystem/rhessi_tgf.html.
[2] Os hidrometeoros admitem composições associadas à determinada quantidade de água e possuem polaridade de carga devida estar ou não na presença de um campo elétrico.
[3] As cargas são separadas pelo processo indutivo durante a colisão de partículas de diferentes polarizações e tamanhos inseridos num campo elétrico inicial. A colisão entre partículas de diferentes tamanhos, possibilita uma aquisição maior de cargas (-), por partículas maiores que migram para a base da nuvem. As limitações para ste tipo de transferência residem num tempo adequado de contato para que ocorra a efetiva transferência de cargas bem como a dependência do ângulo de contato e magnitude de polarização pelo campo elétrico.
[4] Neste processo não há a necessidade de um campo elétrico.
[5] Quando uma quantidade igual de íons positivos e negativos está presente, pode ocorrer uma polarização preferencial nas gotículas, este ficou conhecido como efeito Wilson.
[6] A transferência de cargas neste mecanismo é marcada pelo grau de polarização das partículas cuja indução de cargas nos hidrometeoros é modificada durante a aproximação de outro hidrometeoro.
As tempestades são caracterizadas por nuvens frias, a presença de descargas atmosféricas na atmosfera, é uma conseqüência da separação localizada de cargas elétricas dentro das nuvens. Durante a formação de uma nuvem, enquanto a água estiver na fase líquida, podemos caracterizar a nuvem como “nuvem quente”. Por outro lado, se cristais de gelo estão envolvidos no processo de formação da precipitação, a nuvem é caracterizado como “nuvem fria”, independentemente de qual seja a sua temperatura ao atingir o solo. Uma nuvem de tempestade inicia-se com a elevação de uma parcela de ar quente e úmido, seja por correntes ascendentes (advecção, efeitos orográficos, efeitos dinâmicos ou convecção térmica) ou por agentes forçantes (montanhas, frentes frias, etc.). Enquanto sobe na atmosfera a parcela sofre expansão em decorrência da diminuição da pressão atmosférica com a altura e resfria-se por expansão adiabática.O resfriamento provoca uma diminuição da capacidade da parcela em reter o vapor de água e conseqüentemente ocorre um aumento da umidade relativa do ar, neste estágio o resfriamento pode causar saturação desta parcela e a condensação sobre núcleos apropriados, as quais são chamadas de núcleo de condensação (NC), estes núcleos de condensação são facilitados pela presença de hidrometeoros, que são partículas de água, líquidas ou sólidas, em queda ou em suspensão na atmosfera e que podem ser elevadas da superfície por ventos ou depositadas sobre objetos. O nível em que isto ocorre define-se como o nível de condensação por levantamento (NCL) e a partir deste nível, ocorre liberação de calor latente de condensação. A liberação de calor latente tende a diminuir a taxa de resfriamento, embora a parcela continue a sofrer resfriamento adiabático (PRUPPACHER, 1978).Se a atmosfera for absolutamente instável, a parcela pode continuar a desenvolver-se verticalmente e ultrapassar a altitude onde a temperatura está abaixo do nível de congelamento (isoterma de 0 oC), neste nível há a formação de cristais de gelo, que ainda coexistem com as gotículas de água. O crescimento dos cristais de gelo no interior da nuvem pode ser dado por deposição direta de vapor, após isto é possível o crescimento por sucessivas colisões, no entanto em algumas nuvens o processo de crescimento ocorre também por agregação e acreção.
CARREGAMENTO DAS TEMPESTADES
A transferência de carga descrita nestas hipóteses é explicada nos instantes iniciais da formação da estrutura elétrica da nuvem, e ocorre através das colisões de partículas de diferentes tamanhos em instantes posteriores a formação da nuvem, a presença ou não de um campo elétrico, de dentro de uma nuvem de tempestade pode chegar á ~120 kV/m, possibilita a polarização dos hidrometeoros[2] pelos mecanismos de carregamento que podem ser: mecanismos indutivos[3], mecanismos não-indutivos[4], mecanismo de captura de íons[5] e mecanismo indutivo de partícula-partícula[6]. Dos mecanismos que melhor explicam a transferência de cargas, há uma preferência pelo processo não–indutivo, devido à possibilidade de se desprezar a existência prévia de um campo elétrico. Em tempestades a concentração de íons é insuficiente para que ocorra uma captura seletiva de íons, desta forma o mecanismo de captura seletiva de íons descreve de maneira parcial o desenvolvimento do campo elétrico dentro de uma nuvem de tempestade. Para prevalecer o mecanismo indutivo é condição necessária que as partículas que colidem se separem e o tempo de contato entre estas deve ser suficientemente longo para que ocorra transferência de cargas. (MACGORMAN, 1998; MASON, 2003; WILLIAMS, 1988).
OS PROCESSOS DE UMA DESCARGA ATMOSFÉRICA
Um relâmpago nuvem-solo inicia-se através da quebra de rigidez dielétrica do ar dentro da nuvem. A presença da condutividade e de cargas na superfície da Terra infere um campo elétrico de tempo bom, em geral orientado em direção ao solo. Nos continentes a média do campo elétrico é cerca de 120 V/m, contudo assumindo um aumento exponencial da condutividade elétrica da superfície com a altitude, o campo elétrico decresce na mesma proporção, (no entanto, próximo ao solo o campo elétrico apresenta variações atribuídas aos movimentos das cargas além das variações diurnas e sazonais), assim uma descarga atmosférica é causada por um intenso campo elétrico dentro da nuvem (entre 100-400 kV/m) que excede o campo local (~120 V/m) permitindo a quebra de rigidez (MASON, 2003). O processo de quebra de rigidez tem uma duração média de 100 milissegundos. Este processo estabelece as condições para que as cargas sejam levadas rumo ao solo pelo Líder Escalonado ou Stepped Leader .Sobre a influência do campo elétrico estabelecido entre a nuvem e o solo (assumindo um direcionamento para o solo do campo elétrico e uma descarga negativa), as cargas negativas então movem-se aleatoriamente em etapas parando repetidas vezes no ar, em intervalos de alguns metros (~50m), em direção ao solo. Ao longo do caminho, algumas cargas seguem outros rumos devido à influência de cargas na atmosfera ao redor do canal, formando ramificações. As cargas no canal movem-se rumo ao solo com velocidade média de cerca de 100 km/s produzindo uma fraca luminosidade em uma região com diâmetro entre 1 e 10 metros ao longo do qual a carga é depositada. Quando o canal do líder escalonado aproxima-se do solo, a carga elétrica contida no canal produz um campo elétrico intenso entre a extremidade do líder e o solo, fazendo com que ocorra uma descarga positiva ascendente denominada Descarga Conectante ou Upward Leader .
Quando um dos líderes conectantes encontra o líder escalonado, o canal do relâmpago está formado, ocorre o chamado “Attachment”. E ocorre a Descarga de Retorno ou Return Stroke . Frequentemente os processos de lideres e descargas repetem-se no mesmo canal ionizado em diferentes intervalos. O Líder Subseqüente ou Dart Leader move-se pelo mesmo canal como o líder escalonado original que em geral não possui ramificações. Devido à resistência elétrica do canal agora ser baixa, o líder contínuo descende rapidamente e quando se aproxima do solo, normalmente ocorre uma descarga de retorno para a nuvem.Ocasionalmente, o flash é uma referência utilizada para descrever às várias descargas no sentido do conjunto de correntes de retorno “Descargas Subseqüentes ou Dart Leader” envolvidas após o fechamento do canal.Durante este processo campos elétricos e magnéticos sofrem variações no tempo e no espaço, desta forma as descargas atmosféricas produzem sinais eletromagnéticos conhecidos, no espectro de rádio, como Radio Atmospherics – Sferics, sendo a maior parte da energia irradiada presente no espectro do Very Low Frequency (VLF) e Extremely Low Frequency (ELF). Este espectro eletromagnético consegue se propagar a longas distâncias pelo guia de onda formada pela baixa Ionosfera e a superfície da Terra (BARR et. al, 2000; BUDDEN, 1951; LEE, 1989). Radio Atmospherics Desde 1920 até 1960 a parte da atmosfera com grande concentração de elétrons livres e íons, mais tarde conhecida com ionosfera, propôs a base para as explorações por ondas de rádio. Mais de 20 anos depois das formulações das equações de Maxwell em 1860, Hertz comprovou a propagação de ondas eletromagnéticas (ORSINI, 1950).Sferics são pulsos de curta duração (entre 1 – 10 ms) com campos elétricos verticais provenientes de descargas atmosféricas. O significado espectral da forma de onda pode ser usado para estudos a respeito da propagação de ondas de rádio pelo guia de onda formado pela superfície da Terra e a baixa ionosfera (TAYLOR, 1960). O pulso eletromagnético gerado por uma descarga atmosférica está situado numa banda larga do espectro eletromagnético, contudo, a maior parte da energia irradiada encontra-se no espectro do Very Low Frequency (VLF) e Extremely Low Frequency (ELF), estas energias se propagam livremente pelo guia de onda formado pela baixa ionosfera e a superfície terrestre (Cummer, 1997).
[1] http://www.nasa.gov/vision/universe/solarsystem/rhessi_tgf.html.
[2] Os hidrometeoros admitem composições associadas à determinada quantidade de água e possuem polaridade de carga devida estar ou não na presença de um campo elétrico.
[3] As cargas são separadas pelo processo indutivo durante a colisão de partículas de diferentes polarizações e tamanhos inseridos num campo elétrico inicial. A colisão entre partículas de diferentes tamanhos, possibilita uma aquisição maior de cargas (-), por partículas maiores que migram para a base da nuvem. As limitações para ste tipo de transferência residem num tempo adequado de contato para que ocorra a efetiva transferência de cargas bem como a dependência do ângulo de contato e magnitude de polarização pelo campo elétrico.
[4] Neste processo não há a necessidade de um campo elétrico.
[5] Quando uma quantidade igual de íons positivos e negativos está presente, pode ocorrer uma polarização preferencial nas gotículas, este ficou conhecido como efeito Wilson.
[6] A transferência de cargas neste mecanismo é marcada pelo grau de polarização das partículas cuja indução de cargas nos hidrometeoros é modificada durante a aproximação de outro hidrometeoro.
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