Finalmente.....O que são Sprites?

(Figura 1: Foto de um sprite tirado a bordo do ônibus espacial Discovery)


(Figura 2: Taxa de ocorrência de sprites sobre o globo terrestre, cortesia: NASA)



(Figura 3: Eventos de sprites e seus coadjuvantes)

Sprites: Os Sprites ou red sprites são fenômenos luminosos que podem se estender de 95 km até menos que 30 km de altitude. Análises indicam que eles iniciam usualmente entre 70 e 75 km, desenvolvendo, em ambas as direções, velocidade de » 10⁷ m/s. Eles perduram por dezenas de milissegundos; embora os elementos mais brilhantes durem apenas poucos milissegundos. Os sprites quase sempre seguem relâmpagos nuvem-solo de polaridade positiva, dentro de uma defasagem temporal de menos que 1s a mais que 100 ms. Esse fenômeno tem ocorrido tipicamente associado com amplas tempestades elétricas, especialmente naquelas que apresentam uma substancial região de precipitação estratiforme.

Elves: Os elves são percebidos como estruturas quase-toroidais em expansão. Documentou-se o seu alargamento horizontal e também uma expansão para baixo. É um fenômeno relativamente brilhante (1000 kR) e de duração menor do que 500 ms. Eles seguem por aproximadamente 300 ms com respeito a relâmpagos nuvem-solo intensos (corrente elétrica > 100 kA), a maioria com polaridade positiva. A teoria proposta para seu mecanismo é que os pulsos eletromagnéticos dos relâmpagos induzem um brilho transiente na ionosfera entre as altitudes de 80 e 100 km.

Halo de sprites: Os halos de sprites parecem ser um brilho difuso na forma de disco que precedem os sprites, duram em torno de um milissegundo e lembram superficialmente os elves. Apresentam estruturas usualmente menores do que 100 km e propagam-se para baixo de » 85 a » 70 km. Os elementos do sprite parecem emergir da porção inferior do disco côncavo dos halos.

Jatos azuis: Os jatos azuis são jatos de luz que emergem do topo de tempestades eletricamente ativas. Propagam para cima com velocidades de » 100 km/s, atingindo altitudes terminais de » 40 km. Seu brilho estimado é da ordem de 1000 kR. Esses jatos não parecem associar-se a relâmpagos nuvem-solo específicos; no entanto, a atividade elétrica parece cessar por alguns segundos após a ocorrência de um jato azul. Examina-se a associação com tempestades que produzem granizo.

Trolls: Os trolls lembram superficialmente os jatos azuis, embora claramente dominados por uma emissão avermelhada. Eles parecem ocorrer após um sprite intenso cujas ramificações estenderam-se para baixo até o topo das nuvens. Os trolls exibem uma luminosa "cabeça" à frente de uma "cauda" de luminosa fraca e movem-se para cima inicialmente a » 150 km/s, desacelerando-se gradualmente, e desaparecendo em torno de 50 km.

Surtos de Raios Gama: Surtos de Raios gama têm sido observados no solo durante tempestades elétricas. Têm sido percebidos 2 tipos de eventos. Um deles mostra um lento aumento de radiação, com fótons de energias até 3 MeV, e dura por uma hora ou mais antes de decair lentamente. A causa sugerida são os aerossóis radiativos nas partículas precipitantes na chuva. Superposto a essa radiação gradual há um surto impulsivo de fótons de mais alta energia (até 10MeV), que perdura por uns poucos minutos. Sugere-se que esses raios gama são provenientes de radiação de frenagem de elétrons de maior energia colidindo com os átomos da atmosfera. O mecanismo seria a aceleração de elétrons pelos fortes campos elétricos estabelecidos durante as tempestades elétricas.

As investigações experimentais têm mostrado que esses fenômenos parecem associados com várias espécies de tempestades elétricas, produzidas em grandes Sistemas Convectivos de Mesoescala nas médias latitudes, linhas de instabilidades associadas a tornados, convecções tropicais profundas, ciclones, e "winter snow squalls".

Mapas da Distribuição de Densidade de Descargas Atmosféricas

Densidade de Relâmpagos no globo (dados do satélite Lightning Image Sensor)

Os Sistemas de Monitoramento de Tempestades

On-orbit Recording of Transient Events (FORTE)


Lightning Imaging Sensor (LIS)


Optical Transient Detector (OTD)

Operationaescan Lighnting System (OLS) Os instrumentos de sistemas óticos são representados pelo Operational Linescan System (OLS), Optical Transient Detector (OTD) o Lightning Imaging Sensor (LIS) e o On-orbit Recording of Transient Events (FORTE) os quais são capazes de detectar as variações de luminosidade em nuvens durante o dia e a noite.Na seqüência são detalhadas as técnicas utilizadas nestes sistemas óticos de localização de descargas atmosféricas.Operational Linescan System – OLS: Lançado a bordo do Titan 2 em janeiro de 1973 e operando nos satélites do programa de defesa meteorológico norte-americano (DMPS – Defense Meteorological Satellite Program), este instrumento consiste num instrumento usado para monitorar a distribuição global de nuvens de tempestades durante a noite e a temperatura do topo destas nuvens o que permite a identificação de fontes de baixa emissão de energia luminosa nas imagens . O mapeamento total do globo, realizado a cada 24 horas por dois radiômetros (Photo Diode Detector– PDD) de varredura oscilatória e um tubo foto-multiplicador, atribuem medidas com um período orbital de 101 minutos (~ 1,6 horas), suas atividades cessaram em 31 de janeiro de 1991 (ORVILLE et,al,. 1986).
Um radiômetro está no infravermelho termal (10.5 a 12.5 mm) e outro no espectro visível da radiação (0.4 a 0.1 mm), este acoplado ao tubo foto-multiplicador que aumenta em 4 vezes a sensibilidade do sensor (ORVILLE, et al,. 1986). A uma altitude de 830 km a cobertura espacial do OLS é cerca de 1300 km com o tubo foto-multiplicador a resolução é de 2.7 km, para este caso, quando ocorre uma descarga atmosférica, a imagem pode ficar saturada devido ao uso do foto-multiplicador havendo a necessidade de um tempo para que a imagem adquirida seja reconstituída.
Optical Transiente Detector – OTD: Lançado em 3 de abril de 1995 abordo do Microlab-1 e admitindo uma órbita circular com um ângulo de inclinação de 65O, este sistema possui a capacidade de detectar mudanças momentâneas de luminosidades nas nuvens indicando a ocorrência de relâmpagos (intra-nuvens, nuvem-solo durante o dia e a noite) a aproximadamente 710 km de altura (Fig.2.8). Os dados foram coletados até abril de 2000, quando o satélite finalizou suas atividades. O OTD é composto por um dispositivo chamado CCD (Charge Coupled device) que é uma lente capaz de filtrar as interferências num comprimento de onda de 777 nm (BOCCIPPIO, et al,. 2000). O satélite cobre uma área de 1300 x 1300 km com cobertura espacial de 10 km e resolução temporal de 2ms (CHRISTIAN, 1989). O OTD orbita a Terra a cada 100 minutos (equivalente há 1,6 horas) e por este motivo não realiza um monitoramento contínuo temporal das tempestades e sua eficiência de detecção não ultrapassa os 46% - 69% (BOCCIPPIO, et al,. 2000). A identificação de uma descarga é criada através da apresentação seqüencial e diferença de brilho observado nas sobreposições de imagens de satélite, adquiridas sobre uma mesma área ao longo de algumas horas.
Lightning Imaging Sensor – LIS: Abordo do satélite TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) lançado em 28 novembro 1997 do Tanegashima Space Center no Japão, o LIS é um dos cinco instrumentos que em conjunto com outros é capaz de localizar e detectar descargas atmosféricas acima da superfície da Terra pela luminosidade produzida durante as tempestades sendo uma evolução do sistema OTD (Fig.2.9). Estando a uma altura de 350 km com ângulo de inclinação de 35O, o LIS observa relâmpagos sobre as regiões tropicais do globo (CHRISTIAN, et al,. 1999). Os resultados do LIS inferem uma eficiência de detecção de 90 % com uma resolução de 10 km numa cobertura de 600X600 km e desta forma, grava o tempo de ocorrência do evento (CHRISTIAN, et al,. 1996). O satélite TRMM viaja aproximadamente uma distância de 7 km a cada segundo, permitindo observar uma tempestade por quase 90 segundos. A obtenção das imagens é feita da mesma forma que o satélite OTD, através da apresentação seqüencial e diferença de brilho observado nas sobreposições de imagens de satélite, adquiridas sobre uma mesma área ao longo de algumas horas.

Fast On-orbit Recording of Transient Events – FORTE: Desenvolvido pela parceria entre o Laboratório Nacional de Los Alamos e o Laboratório nacional Sadia no Novo México, foi lançado em 29 de Agosto de 1997 da Base da Força Aérea de Vandenberg a bordo do satélite Pegasus XL. O Forte cobre uma região de 1300 x 1300 km e consiste de três instrumentos: um sistema de RF (rádio freqüência), um sistema ótico e um classificador de eventos (Fig.2.10). Sua inclinação de 70.0o e órbita de aproximadamente 799 km de altitude, permite detectar e fazer correlação entre uma descarga elétrica no espectro ótico e as emissões no espectro do VHF (Suszcynsky, et al., 2000).O sistema RF detém três receptores de RF no espectro de freqüência de 30-300 MHz (VHF) que analisam a forma de onda das descargas atmosféricas.O sistema ótico consiste em um sensor de varredura (Lightning Location System -LLS) de 10 x10 km, com capacidade de detectar 500 amostras/segundo (e localizar geograficamente um relâmpago) e um fotodetector (Optical Lightning System) e uma câmera de CCD para fornecer a definição espacial e temporal das descargas atmosféricas. O classificador de eventos, baseado na tecnologia de processando de sinal digital, fornece as características das formas de onda dos sinais eletromagnéticos provindo dos relâmpagos (Suszcynsky, et al., 2000).

Sistemas de Monitoramento das Descargas Atmosféricas

Em 1988, a CEMIG (Companhia Energética de Minas Gerais) instalou o que seria o primeiro sistema de localização de tempestades da Américas do Sul, marcando o início do que viria a ser a Rede Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas – RINDAT.Da parceria entre a CEMIG (Companhia Energética de Minas Gerais), SIMEPAR (Sistema Meteorológico do Paraná) em 1996 e FURNAS (Furnas Centrais Elétricas S.A) em 1998, surgiu a RIDAT (Rede Integrada de Detecção de Descargas Atmosféricas). Mais tarde em 2004 o INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) passou a fazer parte da rede denominada RINDAT (Rede Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas). A configuração da rede RINDAT pode ser verificada na Fig. 2.11 (PINTO, 2005).A RINDAT possui 25 sensores instalados na região Sul e Sudeste do Brasil com as tecnologias: LPATS e IMPACT operando no espectro eletromagnético (VLF/LF) cobrindo cerca de 50-60% do território nacional (Fig. 2.11) (PINTO, et al., 1999). Breve a RINDAT constará com mais um sistema de monitoramento de descargas atmosféricas, o SIDDEM (Sistema de Informações Integradas Baseado no Sistema de Detecção de Descargas Atmosféricas). O SIDDEM é um projeto desenvolvido e coordenado pela EletroSul em parceria com várias empresas públicas e privadas que visa instalar sensores do tipo SAFIR e IMPACT no Rio Grande do Sul, Santa Catarina e Mato Grasso do Sul. Além das concessionárias de energia elétrica dos três estados - Celesc (SC); RGE, AES-SUL e CCE (RS); ENERSUL (MS) participam do Siddem a Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina (Epagri) e a Tractebel Energia. O sistema WWLLN (World Wide Lightning Location Network) opera no espectro do VLF/LF e possui 22 sensores espalhados pelo globo (Europa, África, Oceania, América do Sul, Central e do Norte e Ásia) que através do método do TOGA (Time of Group Arrival) monitora descargas atmosféricas sobre o Brasil (DOWDEN, et al., 2002; RODGER, et al,. 2004). A Fig.2.15 apresenta a disposição geográfica dos sensores que, operando no espectro do VLF (6-20 kHz), fazem parte da rede WWLLN.Com esta rede pretende-se alcançar uma precisão de localização em torno de 10 km com eficiência de detecção de 50%, cada estação é composto por antenas, um receptor GPS, sensores no VLF (1-24 kHz) e uma internet ligada a um processador central (ERIN, et al., 2004). O LDAR (Lightning Detection and Ranging) é um sistema que detecta todos os tipos descargas atmosféricas (NS, IN, NN) em células convectivas. Instalado no National Aeronautics and Space Administration (NASA) no Centro Espacial Kennedy (Kennedy Space Center) o sistema LDAR inclui sete estações: uma estação central de (observação e controle) e seis estações operando no espectro de freqüência de 66 MHz que indicam as posições tridimensionais e os tempos dos flashes dos relâmpagos que ocorrem numa distância aproximadamente de 10 km (LENNON, 1991). Os sinais provenientes das descargas chegam a tempos diferentes às antenas e a posição de um source (fonte de emissão de uma descarga, conhecida também como descargas K) é calculada pelas diferenças entre os tempos de chegada dos sinais destas fontes ás várias estações, utilizando o método TOA (BOCCIPPIO, et al., 2000; MAZUR, et al., 1997). Este sistema é utilizado para a previsão de ocorrência de descargas NS, uma vez que existem evidências/observações que correlacionam à taxa máxima de ocorrência de descargas IN e NN com a primeira ocorrência de NS, portanto podendo prever com uma antecedência de 5 a 10 minutos a ocorrência de um NS (THOMAZ, et al., 1999).A eficiência de detecção do sistema LDAR de aproximadamente de 90%, refere-se a flashes que ocorrem a 94-113 km das antenas, e de 10% para flashes detectados acima de 200-240 km das antenas do sistema (BOCCIPPIO, et al., 2000).Recentemente a Global Atmospherics, INC detém um contrato que visa realizar melhorias no LDAR o que certamente contribuirá para melhor difundir o sistema TOA, além de utilizar os resultados do LDAR com os resultados obtidos pelo OTD e LIS (CHRISTIAN, et al., 1992, 1996, 1999). O Sistema de Detecção de Longo Alcance - ZEUS (Long Range Lightning Monitoring Network) é uma rede de sensores no espectro do VLF (7-15 kHz) que detecta e localiza descargas atmosféricas baseando-se na detecção dos “sferics” e sendo a proposta para os estudos deste trabalho (ANAGNOSTUS, et al., 2004). Financiado pela National Science Foundation juntamente com a Hellenic General Secretariat for Research and Development, este sistema está em operação desde junho de 2001 e consiste em sensores localizados na Europa e África (CHRONIS, 2003). Os sensores europeus utilizados estão localizados em Birmingham (Reino Unido), Roskilde (Dinamarca), Iasi (Romênia), Larnaka (Chipre), e em Evora (Portugal), os sensores africanos estão em Addis Ababa (Etiópia), Dar es Salaam (Tanzânia), Hamilton (África sul), Osun (Nigéria) e Dakar (Senegal) .A detecção dos Sferics proveniente das descargas atmosféricas é realizada utilizando o método do ATD (Arrival Time Difference) (LEE, 1986; LEE, 1989). A ZEUS consiste em duas configurações uma com 7 sensores para a Europa e África. Embora estes sensores estejam localizados a milhares de kilômetros da América do Sul, a escolha da rede ZEUS é quantificada pela análise, dentre outras, do efetivo monitoramento feito sobre a América do Sul, acessibilidade aos dados e pela eficiência de detecção apresentada para este continente.
Os Instrumentos para o Monitoramento das Descargas Atmosféricas O IMPACT (IMProved Accuracy from Combined Technology): O IMPACT é um sistema de antenas receptoras de rádio freqüência que estima a localização espaço/temporal de um stroke (NS), combinando os métodos TOA/MDF (CUMMINS et.al., 1998; ORVILLE et al., 1986) a partir das medidas do campo elétrico e magnético. Cada sensor provê informações a cerca do azimute e do tempo de propagação do sinal até a estação. Os resultados admitem uma região circular próximo aos sensores envolvidos e que posteriormente será o indicativo da localização da descarga atmosférica.LPATS (Lightning Positioning and Tracking System): É um sistema que localiza descargas atmosféricas (NS) avaliando o tempo de chegada do sinal (TOA) a partir das medidas de campo elétrico. O LPATS determina a localização de um relâmpago pela diferença do tempo de chegado do sinal eletromagnético (MACGORMAN, 1998).

O SAFIR (Sureveillance at Alerte Fourde par Interférometrie Radiolélectrique) desenvolvido pela organização francesa de pesquisas aeroespacial (Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales - ONERA-3D), utiliza a interferometria para determinar a direção do sinal eletromagnético na freqüência do VHF (110-118 MHz aproximadamente) (MACGORMAN, 1998; MAZUR et al., 1997).

Monitoramento de descargas atmosféricas via Very Low Frequency - VLF

Recentes pesquisas sober descargas atmosféricas mostram-se através do monitoramento destas via sistemas de rádio no espectro do VLF.
Obviamente que este assunto merece destaque especial e foge completamente ao interesse deste site, contudo é de intenção do autor apresentar suas pesquisas nesta área bem como em outras que fazem parte das recentes pesquisas.

Propagação das Ondas Eletromagnéticas no Guia de Onda (Terra – Ionosfera)

As ondas de rádio de ELF (Extremely Low Frequency: 3 Hz – 3 kHz) e VLF (Very Low Frequency: 3 kHz – 30 kHz), despontaram interesse maior devido suas propriedades de propagação a longas distâncias através de sucessivas reflexões no guia de onda formado pela superfície da terra e a ionosfera. Este renovado interesse foi resultado de experiências durante a Primeira Guerra Mundial a partir das rádios comunicações e navegação.

Ondas no ELF /VLF conseguem se propagar a longas distâncias levando informações a cerca do comportamento do campo elétrico das descargas elétricas e inferindo condições ao conhecimento dos fenômenos a ela associadas. Ainda penetram profundamente abaixo da superfície da terra interagindo com a estrutura geológica da terra. Esta interação induz campos secundários, com efeitos mensuráveis acima da superfície da terra, importantes também para outras áreas de pesquisa. A compreensão apropriada da física da geração e da propagação de ELF/VLF acena uma interação com materiais, aplicações nas comunicações e no monitoramento de fenômenos naturais (BARR et. al., 2000).

De forma a entender os sistemas utilizados para a localização de descargas atmosféricas, este capítulo discutirá as freqüências características, suas propriedades e comportamento, em seguida os fenômenos associados a propagação das ondas em VLF e finalmente os sistemas e métodos de monitoramento de descargas atmosféricas.

Os fenômenos mais importantes associados à propagação do VLF são as atenuações do espaço livre e da ionosfera, reflexão na superfície do solo e efeitos resultantes da anisotropia da ionosfera.

A situação mais simples de propagação de uma onda seria por visada direta (característico para as altas freqüências). Embora seja possível apenas num ambiente completamente desobstruído. A propagação da onda direta no espaço livre pode ser considerada principalmente em freqüências elevadas, como em VHF além de UHF e SHF. O alcance da propagação direta fica limitado quando há necessidade de serem consideradas alterações introduzidas pela presença da própria atmosfera e a topografia. Em freqüências muito altas o sinal de rádio reflete no solo e passa a ser uma onda espacial .

A Ionosfera e a Propagação a Longas Distâncias

Quando tratamos das ondas de céu é necessária à existência de uma região refletora na atmosfera superior, foi então que surgiu uma proposta simultaneamente (independentemente), dada por Arthur Edwin Kennelly (1861-1939) e Oliver Heaviside, da existência de uma região eletrizada que poderia dar conta dos fenômenos de propagação, esta camada conhecida inicialmente por camada de Kennelly-Heaviside, hoje designada por ionosfera, foi na época um tema muito discutido pela comunidade científica (ORSINI, 1950; RUSSEL, et al., 1995).

Esta região foi comprovada experimentalmente em 1925 por Edward Victor Appleton (1892-1965), que descobriu a existência das camadas refletoras no seu interior. O conhecimento das características da ionosfera é em grande parte baseado nos seus efeitos sobre ondas eletromagnéticas.

Como o Sol é a fonte natural de energia de maior influência na atmosfera, a ionização das camadas atmosféricas está intimamente relacionada com os efeitos da atividade solar sobre o planeta e, portanto, as variações da ionosfera dependem da hora do dia, da estação do ano, das coordenadas geográficas e do ciclo de atividade solar (AARONS, 1982; ORSINI, 1950).

Para fins de análise do comportamento da propagação das ondas eletromagnéticas, as camadas ionosféricas são identificadas como Camada D, E e Camada F.

Como a atmosfera superior é composta por vários gases distintos, embora predominantemente nitrogênio (N₂) com 78% e oxigênio (O₂) com 21%, e como esses gases possuem características de ionização e recombinação diferenciadas, ocorrem vários máximos locais de densidade de elétrons.

Financiado pela National Science Foundation juntamente com a Hellenic General Secretariat for Research and Development e operando desde junho de 2001 o Sistema de Detecção de Longo Alcance - ZEUS (Long Range Lightning Monitoring Network) é uma rede de sensores no espectro do VLF (7-15 kHz) que detecta e localiza descargas atmosféricas baseando-se na detecção dos “sferics”, sobre o continente africano e europeu (ANAGNOSTUS, et al., 2004; CHRONIS, 2003).

Sensor de VLF sendo instalado no Campu da UFPR - Projeto SIMEPAR/STARNET (ZEUS)

Sferics são ruídos no espectro de rádio, provenientes das descargas atmosféricas e com um máximo de potência eletromagnética no espectro do VLF (8 - 10 kHz). Estes sferics conseguem se propagar a longas distância pelo guia de onda formado pela baixa ionosfera e a superfície terrestre o que permite ser monitorado a distâncias que ultrapassam os 4000 km entre a fonte do sinal eletromagnético e um receptor.

Cada receptor recebe o campo elétrico vertical, proveniente de uma descarga atmosférica e representa seu comportamento numa forma de onda dos sferic. Da diferença do tempo da chegada (ATD) do sinal eletromagnético aos sensores é extraída uma correlação do entre as ATD’s teóricas e ATD’s medidas.

A diferença destas ATD’s infere um ponto sobre a superfície terrestre que indica a localização de um sferic. Esta localização é representada na forma de hipérboles sobre o globo e as suas intersecções efetivamente indicam o local do evento.

A Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas - RINDAT é uma rede de sensores e centrais capaz de detectar descargas atmosféricas do tipo N-S. A RINDAT possui 25 sensores instalados na região Sul e Sudeste do Brasil com as tecnologias: LPATS e IMPACT operando no espectro eletromagnético (VLF/LF) e cobrindo cerca de 50-60% do território nacional (PINTO, et al., 1999).

As perspectivas futuras admitem a inclusão do sistema e informações integradas baseado no sistema de detecção de descargas atmosféricas – SIDDEM, que utilizará sensores do tipo SAFIR e IMPACT no Rio Grande do Sul, Santa Catarina e Mato Grasso do Sul.

Participações em Congressos e Simpósios

Simpósio Internacional de Proteção Contra Descargas Atmosféricas - VIII SIPDA - 2003