O relâmpago é a luz emitida pela descarga elétrica (raio) entre duas nuvens, ou entre uma nuvem e o solo ou outro receptor da descarga (um pára-raios, por exemplo).
Os relâmpagos são produzidos durante tempestades com nuvens eletricamente carregadas, quando o campo elétrico se torna tão forte e intenso ao ponto de forçar uma descarga elétrica entre a nuvem e o solo.
Não existe um consenso entre os cientistas sobre como as nuvens ficariam carregadas ocasionando os raios. Porém, uma explicação bastante aceita é a de que as partículas de vapor de água ao subir pela atmosfera vão se chocando com pequenos cristais de gelo, ou gotas que estão caindo e que compõem as nuvens. Esse choque faria com que alguns elétrons fossem arrancados dessas partículas deixando-as com carga positiva. Os elétrons arrancados tenderiam a se acumular na parte inferior da nuvem, enquanto que as partículas positivamente carregadas se acumulam na parte superior da nuvem.
Essa separação de cargas cria um campo elétrico na nuvem com uma intensidade de milhares de volts por centímetro. A intensidade do campo elétrico da nuvem é tão grande que a carga positiva da nuvem repele a carga positiva do solo próximo deixando-o positivamente carregado.
A intensidade é tamanha que o ar em volta dela literalmente explode devido ao calor produzido pela descarga elétrica (mais quente que a superfície do sol!).Devido ao campo elétrico, o ar em torno começa ficar ionizado. Os elétrons ou íons positivos começam a ficar mais afastados do que antes ganhando mais mobilidade e, por conseqüência, tornando-se melhores condutores. À medida que o ar vai se ionizando, vai sendo criado um “caminho” entre a nuvem e o solo por onde ocorrerá a descarga elétrica (o raio).
Mas, como já citado, um raio pode ocorrer de uma nuvem para o solo ou de uma nuvem para outra. De acordo com essa classificação existem alguns tipos de relâmpagos: relâmpago normal, da nuvem para o solo; relâmpago de calor, relâmpago próximo ao horizonte; relâmpago difuso, um relâmpago normal que é refletido nas nuvens; “red sprite”, explosão vermelha que atinge alguns quilômetros de comprimento em direção à estratosfera; “blue Jet” uma explosão cônica azul, que se movimenta para cima em alta velocidade.
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A primeira etapa de um relâmpago nuvem-solo é chamada de líder escalonado. Sobre a influência do campo elétrico estabelecido entre a nuvem e o solo, as cargas negativas (elétrons) do líder escalonado se movem em etapas de dezenas de metros de comprimento. Cada etapa tem uma duração típica de um microssegundo, com uma pausa entre elas de 50 microssegundos. Após alguns milissegundos, o líder escalonado surge da base da nuvem, movendo-se em direção ao solo.
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Ao longo do movimento, algumas cargas seguem novos caminhos por causa da influência de cargas na atmosfera ao redor do canal, formando as ramificações. As cargas no canal movem-se rumo ao solo em etapas com uma velocidade média de cerca de 100 km/s, produzindo uma fraca luminosidade em uma região com um diâmetro entre 1 e 10 m ao longo do qual a carga é depositada. A maior parte da luminosidade é produzida durante as etapas de um microssegundo, praticamente não havendo luminosidade durante as pausas.
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À medida que as cargas do líder se propagam ao longo do canal rumo ao solo, variações de campo elétrico e magnético são também produzidas. Ao todo, um líder escalonado transporta 10 Coulomb de carga (ou mais) e alcança um ponto perto do solo em dezenas de milissegundos, dependendo da tortuosidade de seu caminho. A corrente média do líder escalonado é de cerca de 1 kA e é transportada em um núcleo central do canal com alguns centímetros de diâmetro.
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Quando o canal do líder escalonado se aproxima do solo, a carga elétrica contida no canal produz um campo elétrico intenso entre a extremidade do líder e o solo, correspondente a um potencial elétrico de cerca de 100 milhões de volts. Este campo causa a quebra de rigidez do ar próximo ao solo fazendo com que uma ou mais descargas positivas ascendentes - denominadas líderes ou descargas conectantes - saiam do solo, em geral, dos objetos mais altos. Quando um dos líderes conectantes encontra o líder negativo descendente, de 10 a 100 metros do solo, o canal do relâmpago é formado.
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Então, as cargas armazenadas no canal começam a se mover em direção ao solo e uma onda se propaga como um clarão visível para cima ao longo do canal com uma velocidade de cerca de 100 mil km/s, que equivale a um terço da velocidade da luz, iluminando o canal e todas as outras ramificações. A velocidade da onda diminui com a altura. Esta descarga é denominada descarga de retorno, dura algumas poucas centenas de microssegundos e produz a maioria da luz que vemos. A luz da descarga de retorno origina-se de emissões contínuas e discretas de átomos, moléculas e íons após serem excitados e ionizados pela onda e move-se para cima devido ao fato de que os primeiros elétrons a mover-se para baixo em direção ao solo são aqueles mais próximos ao solo.
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À medida que elétrons mais acima no canal se movem, as partes superiores do canal tornam-se visíveis. Devido ao movimento para cima da luz ao longo do canal ocorrer muito rápido para poder ser visto pelo olho humano, o canal como um todo parece se iluminar ao mesmo tempo. Os ramos do canal que não se conectam ao solo, normalmente, não são tão brilhantes quanto a parte do canal abaixo do ponto de junção com a ramificação. Isso porque há elétrons através deles do que através do canal. A luz da descarga de retorno é geralmente branca, mas, da mesma maneira que o pôr do sol pode ter várias cores, relâmpagos distantes podem também apresentar outras cores, como amarelo, roxo, laranja ou verde, dependendo das propriedades da atmosfera entre o relâmpago e o observador.
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As cargas depositadas no canal, bem como aquelas ao redor e no topo do canal, movem-se para baixo ao longo do centro do canal em uma região com poucos centímetros de diâmetro, produzindo no solo um pico de corrente médio de cerca de 30 kA, com variações desde poucos kA até centenas de kA. Medidas de corrente em torres equipadas têm registrado valores máximos de 400 kA. Em geral, a corrente atinge seu pico em alguns microssegundos e decai a metade deste valor em cerca de 50 microssegundos.
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Um relâmpago pode ser constituído por uma ou várias descargas, chamadas descargas de retorno. No primeiro caso, ele é chamado de relâmpago simples e, no segundo, de relâmpago múltiplo. Cada descarga de retorno dura algumas centenas de microssegundos e, em relâmpagos múltiplos, o intervalo de tempo entre descargas de retorno consecutivas é tipicamente de 40 milissegundos. Quando o intervalo de separação entre as descargas de retorno é próximo de 100 milissegundos, o relâmpago é visto piscar no céu, porque o olho humano consegue identificá-las individualmente.
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Após a corrente da descarga de retorno percorrer o canal, o relâmpago pode terminar. Entretanto, na maioria dos casos, após uma pausa média de 40 milissegundos, mais cargas são depositadas no topo do canal por descargas dentro da nuvem, denominadas processos K e J. O processo J é responsável por uma lenta variação do campo elétrico no solo com duração de cerca de dezenas de milissegundos, enquanto que o processo K produz variações de campo do tipo pulsos (chamadas variações K), em intervalos de poucos milissegundos, com pulsos individuais de duração de dezenas de microssegundos e picos de campo elétrico cerca de dez vezes menor do que aqueles produzidos por descargas de retorno.
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Estes processos são indicativos de transporte de carga dentro da nuvem. Desde que existe um caminho já ionizado de ar produzido pelo líder escalonado, outro líder pode se propagar em direção ao solo pelo canal. Este líder normalmente não se propaga em passos, e sim de forma contínua e é chamado líder contínuo. Ele se aproxima do solo em poucos milissegundos, propagando-se com velocidades de cerca de 3 mil km/s. Ele não é visível e, normalmente, não possui ramificações. O líder contínuo deposita uns poucos Coulomb de carga ao longo do canal em consequência de uma corrente de cerca de 1 kA. Quando o líder contínuo se aproxima do solo, tem-se novamente uma descarga de retorno, denominada descarga de retorno subsequente, que normalmente não é tão brilhante quanto a primeira descarga de retorno, nem tão pouco ramificada.
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O pico de corrente de descargas de retorno subsequentes é normalmente menor do que aquele da primeira descarga de retorno. As correntes de descargas de retorno subsequentes também levam menos tempo para alcançar seu pico(cerca de um microssegundo) e para decair a metade deste valor (cerca de 20 microssegundos) do que as primeiras descargas de retorno. Em consequência, os campos induzidos são também usualmente menores em amplitude e têm menor duração do que os campos associados às primeiras descargas de retorno. Algumas vezes, quando o tempo após uma descarga de retorno é maior do que 100 milissegundos, parte do canal pode ser dissipado e um novo líder que inicie seu trajeto como um líder contínuo pode, após algum tempo, mudar para líder escalonado. Nestes casos, o líder é chamado líder contínuo-escalonado e alcança o solo em um diferente ponto com relação ao líder anterior.
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A descarga de retorno subsequente segue então um caminho diferente na atmosfera com relação à primeira descarga de retorno e o relâmpago apresenta um canal bifurcado, sendo denominado um relâmpago bifurcado. Cerca de um quarto dos relâmpagos para o solo mostram este efeito. Este processo líder/descarga de retorno subsequente pode se repetir várias vezes, fazendo com que o relâmpago pisque no céu a cada nova descarga de retorno. Todas as descargas de retorno que seguem ao menos parcialmente o mesmo canal pertencem a um único relâmpago nuvem-solo. Um relâmpago pode ser formado por uma ou até dezenas de descargas de retorno. Em média ocorrem 5 descargas de retorno em um relâmpago nuvem-solo negativo , sendo que o número máximo já registrado é de 42 descargas. Frequentemente, uma corrente da ordem de 100 A percorre o canal por dezenas a centenas de milissegundos após a primeira descarga de retorno ou alguma descarga de retorno subsequente. Esta corrente é chamada de corrente contínua e tipicamente transporta 10 Coulomb de carga para o solo. Correntes contínuas produzem lentas e intensas variações de campo elétrico em medidas de campo elétrico próximas ao relâmpago e uma contínua não visível luminosidade do canal. Algumas vezes, durante a ocorrência de corrente contínua, a luminosidade do canal aumenta durante cerca de um milissegundo seguindo um momentâneo aumento de corrente, um processo denominado de componente M.
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Relâmpagos no solo podem também ser iniciados por líderes positivos descendentes, isto é, líderes positivamente carregados. Na realidade, líderes positivos descendentes correspondem a movimentos ascendentes de cargas negativas (elétrons). A descarga de retorno resultante efetivamente transporta cargas positivas da nuvem para o solo. Neste caso, o relâmpago é chamado de relâmpago positivo. Em geral, não existem descargas de retorno subsequentes em relâmpagos positivos, isto é, eles são relâmpagos simples. O pico de corrente médio das descargas de retorno de relâmpagos positivos, bem como a carga média depositada no solo, entretanto, são normalmente maiores do que os correspondentes valores para descargas de retorno de relâmpagos negativos, de modo que eles geralmente causam maiores danos do que os relâmpagos negativos.
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Jáos relâmpagos solo-nuvem negativos iniciam com um líder positivo inicialmente escalonado que se move para cima, sendo seguido na maioria das vezes por uma corrente contínua com intensidade que varia desde algumas centenas de ampères até pouco mais de 1 kA, com pulsos sobrepostos, sem que ocorra descargas de retorno. Em até 50% dos casos, o líder é seguido por um líder contínuo da nuvem para o solo e uma descarga de retorno para cima, semelhante às descargas de retorno subsequentes de relâmpagos nuvem-solo, porém de menor intensidade, podendo este processo se repetir outras vezes. Relâmpagos solo-nuvem deste tipo apresentam de 2 a 3 descargas de retorno. O relâmpago solo-nuvem positivo, por sua vez, inicia por um longo líder escalonado negativo que se move do solo para a nuvem, sendo seguido na maioria das vezes por uma corrente contínua com pulsos sobrepostos, sem que ocorra descargas de retorno. Aparentemente, relâmpagos solo-nuvem positivos não apresentam descargas de retorno. O pico de corrente médio em relâmpagos solo-nuvem negativos com descargas de retorno é de cerca de 10 kA. Contudo, devido à presença de corrente contínua, costumam transferir cargas para o solo maior do que os relâmpagos nuvem-solo negativos (valor médio de 23 C e em 5% dos casos valores superiores a 110 C). O pico de corrente em relâmpagos solo-nuvem positivos por não apresentarem descargas de retorno, costumam apresentar valores inferiores a 3 kA. A carga média transferida ao solo é em torno de 25 C. Máximos valores registrados para o pico de corrente de relâmpagos solo-nuvem negativos e positivos são em torno de 30 kA e 10 kA, respectivamente.
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Os relâmpagos intranuvens iniciam-se através de um líder contínuo que se propaga com uma velocidade em torno de 40 mil km/h, em geral de uma região de cargas negativas para uma região de cargas positivas dentro da nuvem, transportando cargas negativas. Sobreposto ao líder, existem pulsos de corrente que resultam do encontro do líder com centros menores de carga. Estes pulsos são muito similares àqueles que ocorrem durante o período de quebra de rigidez, e indicam a presença de movimentos verticais e horizontais dentro da nuvem. Relâmpagos intranuvem não apresentam descargas de retorno.
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Outros tipos de relâmpagos no solo têm etapas similares, com pequenas diferenças, principalmente no que se refere ao processo inicial. Relâmpagos na nuvem, entretanto, apresentam um desenvolvimento diferente e que ainda não é muito bem conhecido. Também quase nada se sabe sobre o desenvolvimento de relâmpagos raros, como relâmpagos de bola ou relâmpagos relacionados a vulcões, tempestades de neve ou poeira.
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Forte abraço,
Prof. Sérgio Torres
Matemática e Física do básico ao superior (Gratuito). São 60 blocos e muito trabalho. Apenas quem estiver, realmente, interessado entre no grupo. Antes dê uma olhada como está ficando a apostila de Gravitação Universal. Forte Abraço, Prof. Sérgio Torres
GRUPO, SÓ PARA ALUNOS SÉRIOS E INTERESSADOS EM FAZER O CURSO DE MATEMÁTICA E FÍSICA DO BÁSICO AO SUPERIOR É:https://www.facebook.com/groups/fisicaseculo21/
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Obrigado
Prof. Sérgio Torres