O raio é uma descarga eletrostática atmosférica causada pela acumulação de carga elétrica nas nuvens. Estas descargas ocorrem quando a rutura dielétrica do ar tem lugar quando um determinado valor de campo elétrico é excedido. Como consequência, é gerado um canal ionizado num estado de plasma que facilita a transferência de carga entre dois pontos. O conhecimento científico de como se formam os raios deve ser utilizado para otimizar a proteção contra os raios.
O estudo do raio e dos fenómenos relacionados envolve diferentes ramos da física, desde a física atmosférica à física dos plasmas e à eletrodinâmica quântica. Até à data, o mecanismo exato pelo qual os raios são gerados nas nuvens não é totalmente compreendido, nem o mecanismo pelo qual os raios atingem um determinado ponto. No entanto, apesar das dificuldades no estudo destas descargas atmosféricas, há cada vez mais informação disponível proveniente de observações e medições [1].
Segue-se um breve resumo do que a ciência diz sobre como se formam os raios, focando em particular os raios nuvem-solo devido à sua relevância para a proteção contra trovoadas.
Formação de raios em nuvens de trovoada
As nuvens de trovoada são geralmente do tipo cumulonimbus e formam-se quando as condições são propícias ao crescimento vertical da nuvem. As nuvens cumulonimbus são gigantescos motores térmicos que convertem a energia solar em energia mecânica das correntes de ar e na energia elétrica dos raios [2], [3].
Quando as nuvens de tempestade se formam, o equilíbrio das cargas positivas e negativas na atmosfera é quebrado, porque ocorre a polarização das cargas elétricas. Assim, a parte inferior das nuvens fica carregada negativamente, induzindo uma carga positiva no solo e nos elementos acima dele. Gera-se assim um campo elétrico de até dezenas de kilovolts
A nuvem adquire carga elétrica através de vários mecanismos de eletrificação. Pensa-se que o principal envolve colisões entre partículas milimétricas de granizo macio ou graupel e pequenos cristais de gelo na presença de gotículas de água muito fria. A água muito fria caracteriza-se por não congelar apesar de estar a uma temperatura inferior a 0 °C [1]-[4].
No entanto, ainda não estão disponíveis todos os detalhes dos processos microfísicos de descarga que geram os traçadores e os processos que produzem os campos elétricos necessários para gerar raios. Assim, o mecanismo físico (ou mecanismos) pelo qual as descargas atmosféricas são iniciadas dentro das nuvens de trovoada ainda não foi resolvido. Isto porque, após décadas de medição do campo elétrico no interior das nuvens, não foi detetado um campo elétrico suficiente para provocar descargas, pelo menos de acordo com o atual consenso científico [1].
Ligação dos traçadores descendentes e ascendentes que formam o raio nuvem-solo
Quando o campo elétrico de ionização do ar é ultrapassado, o ar pode passar de um isolador quase perfeito para um meio condutor através do qual a carga da nuvem procura o caminho mais direto para o solo. Gera-se então um traçador ou um líder descendente que deixa a nuvem transportar parte da sua carga. É também conhecido como ” stepped leader ” porque avança em passos discretos ou saltos (steps). No trajeto nuvem-solo do raio, o traçador descendente pode dividir-se em várias ramificações [2] e propagar-se em qualquer direção, mas sempre em saltos que dependem da corrente associada a essa descarga.
Quando o raio se aproxima suficientemente do solo, o campo elétrico eleva-se até ao nível da terra e um ou vários pontos de elementos ligados à terra começam a lançar descargas corona [2]. São descargas elétricas produzidas pela ionização do gás que envolve um condutor carregado. A partir delas, são gerados líderes ou traçadores ascendentes. O primeiro traçador ascendente que atinge o traçador descendente cria um trajeto de descarga nuvem-terra. No salto final (final jump) do traçador descendente, a direção deixa de ser aleatória e passa a ser determinada pelo traçador ascendente ao seu alcance.
Quando intercetada por um objeto, a corrente procura o caminho mais rápido para a terra, gerando um pulso de corrente de energia muito elevada com uma amplitude de dezenas ou centenas de milhares de amperes (descarga de retorno ou return stroke) [2]. Se a nuvem continuar a ser carregada após a descarga de retorno, podem aparecer novos arcos conhecidos como subsequentes ou subsequent strokes
O recente estudo de observação de Saba et al. [5] utilizou uma câmara de vídeo de alta velocidade para analisar a dinâmica dos líderes num raio nuvem-terra. O vídeo desta publicação de acesso aberto está disponível online.
O impacto avaliado foi registado a 30 de março de 2021 e, a partir das imagens de vídeo obtidas, foram encontrados 31 líderes ascendentes desde os edifícios circundantes na direção dos líderes descendentes. Os líderes ascendentes caracterizavam-se por uma propagação reta e sem ramificações, enquanto os líderes descendentes se caracterizavam por ramificações. O líder ascendente que se ligou ao líder descendente foi três vezes mais rápido do que os restantes 31 líderes detetados.
Numa publicação posterior, também de natureza observacional, Saba et al [6] analisaram um impacto anterior (1 de fevereiro de 2017) intercetado por um para-raios de um edifício residencial. Foram efetuadas medições de campo elétrico, corrente e velocidade dos impulsos ascendentes utilizando câmaras de vídeo de alta velocidade, um sensor de campo elétrico e sensores de corrente instalados nos para-raios.
Os autores observaram que os líderes ascendentes respondiam às diferentes ramificações do líder descendente, alternando a sua propagação e intensidade. Este padrão intermitente cessou imediatamente antes da ligação dos líderes, quando todos os traçadores descendentes se intensificaram e, consequentemente, os líderes ascendentes ficaram sincronizados nos seus pulsos de corrente [6].
Os líderes ascendentes induzidos pelos traçadores descendentes propagavam-se a uma velocidade mais ou menos constante. O líder ascendente que se liga ao líder descendente foi o mais rápido de todos os gerados, seguido pelo líder ascendente mais próximo do último salto ou final jump. Por outro lado, o líder ascendente que se liga ao líder descendente registou um aumento de velocidade imediatamente antes da ocorrência do final jump, estimado em pelo menos 45 vezes mais do que a velocidade média do líder ascendente. A corrente contínua mais elevada foi medida no líder ascendente que se liga ao traçador descendente [6].
Proteção inteligente contra raios com base científica
O conhecimento científico do fenómeno do raio é crucial para a otimização dos sistemas de proteção contra o raio. Os dispositivos de proteção contra o raio com ionização (PDI) baseiam-se na emissão contínua do traçador ascendente antes de qualquer outro objeto dentro do seu raio de proteção. Em vez de ser um processo aleatório como no caso da proteção convencional, os PDI caracterizam-se por controlar a emissão do traçador, ajustando-o no momento certo e permitindo assim uma maior área de cobertura.
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Referências
[1] J. R. Dwyer and M. A. Uman, ‘The physics of lightning’, Phys. Rep., vol. 534, no. 4, pp. 147–241, 2014.
[2] V. Cooray, An Introduction to Lightning. Springer Netherlands, 2015.
[3] C. Gomes, Ed., Lightning, vol. 780. Springer Singapore, 2021.
[4] M. A. Cooper and R. L. Holle, Reducing Lightning Injuries Worldwide. 2019.
[5] M. M. F. Saba, D. R. R. da Silva, J. G. Pantuso, and C. L. da Silva, ‘Close view of the lightning attachment process unveils the streamer zone fine structure’, Geophys. Res. Lett., vol. 49, no. 24, Dec. 2022.
[6] M. M. F. Saba, P. B. Lauria, C. Schumann, J. C. de O. Silva, and F. de L. Mantovani, ‘Upward leaders initiated from instrumented lightning rods during the approach of a downward leader in a cloud‐to‐ground flash’, J. Geophys. Res., vol. 128, no. 8, Apr. 2023.
