Um raio é uma
descarga elétrica que se produz pelo contato entre
nuvens de chuva ou entre uma destas nuvens e a
terra. A descarga é visível a olho nu, com
trajetórias sinuosas e de ramificações irregulares
às vezes com muitos quilômetros de distância até o
solo. Este fenômeno produz um clarão conhecido como
relâmpago e também uma onda sonora chamada trovão.
Histórico
Raios atingindo a Torre Eiffel no ano de 1902
Alguns afirmam que foram os raios que, ao causar
incêndios tiraram os primatas das árvores e mais
tarde mostraram aos primeiros humanos a importância
do fogo.
Desde a antiguidade os raios encantam e assombram a
humanidade com seu aspecto ameaçador e ao mesmo
tempo intrigante, que acabou por ser incorporado nos
mitos e lendas como elemento de demonstração da
existência de deuses poderosos como o grego Zeus e o
nordico Thor, por exemplo.
Benjamin Franklin comprovou a hipótese da origem
elétrica dos raios concebendo os pára-raios com a
finalidade de proteger as edificações da ação dos
raios.
Foi no século XVIII praticamente o início do estudo
sistemático da eletricidade. Naquela época não se
conhecia uma teoria que explicasse o fenômeno das
tempestades e os raios que nelas se manifestavam.
DefiniçãoUm raio é um fenômeno em que para acontecer
é preciso que existam cargas opostas entre uma nuvem
e o chão, quando isso acontece, a atração é muito
forte, então temos uma enorme descarga elétrica.
Existem três tipos de raios classificados pela sua
origem, também menos comumente chamados descargas
iônicas ou atmosféricas:
Da nuvem para o solo.
Do solo para a nuvem.
Entre nuvens.
A descarga ocorre no momento em que as cargas
elétricas (Quantidade de íons: cátions ou ânions)
atingem energia suficiente para superar a rigidez
dielétrica do ar, de forma explosiva, luminosa e
violenta.
O processo ainda não se encontra totalmente
esclarecido, havendo controvérsias sobre seu
mecanismo de formação, mas sabe-se que, na maioria
dos casos, a descarga ocorre após uma concentração
de cargas, no qual pode-se falar em centros de
concentração, e prossegue em duas fases distintas:
Distribuição da ocorrência de descargas elétrica no
planetaNa primeira libertam-se da nuvem várias
descargas menores a partir do ar ionizado, criando o
precursor da descarga: uma corrente iônica tanto
maior quanto mais se aproxima do solo, favorecendo
assim o trajeto do raio em formação. O precursor
pode ser predominantemente ascendente ou
descendente, pois, depende da natureza dos íons que
formam a nuvem iônica. Ao ocorrer de um precursor
aproximar-se do outro centro de cargas, este
induzirá uma formação de um precursor oposto.
Quando o precursor completa o contato entre os
centros de cargas, ocorre no sentido inverso ao
longo daquele trajeto uma corrente aniônica, ou
catiônica, dependendo da carga. É esta segunda
descarga que vemos e ouvimos, e que irá contribuir
para equilibrar as cargas iônicas da nuvem e do
solo.
É comum de ocorrer mais de uma descarga através de
um mesmo canal, no qual o ar encontra-se
parcialmente ionizado. Estas descargas subsequentes
são usualmente mais fracas que a primeira descarga.
Em geral, as descargas verticais normalmente
predominam na frente de uma tempestade, tomando-se
por base o sentido de seu deslocamento.
Os raios horizontais se formam na parte de trás,
também levando-se em conta o sentido de deslocamento
das massas de ar. Estas estão sempre presentes em
qualquer trovoada, e aquecem localmente o ar até
temperaturas muito elevadas.
O aquecimento do ar causa a expansão explosiva dos
gases atmosféricos ao longo da descarga eléctrica,
resultando numa violenta onda de choque (ou de
pressão), composta de compressão e rarefacção, que
interpretados como "trovão".
Uma tempestade (em algumas regiões, dá-se a
nomenclatura "trovoada") típica produz três ou
quatro descargas por minuto, em média.
Dimensões de um raio
Raios em Oradea na RomêniaO canal de descarga possui
um diâmetro estimado de 2 a 5 cm e é capaz de
aquecer o ar até 30.000 °C em alguns milisegundos[1].
Apenas 1% da energia do raio é convertida em ruído
(trovão) sendo o resto libertado sob a forma de luz.
O raio é uma manifestação de plasma, no qual sua
condutividade permite o escoamento da eletricidade
entre os centros de carga.
Um raio completamente formado pode conduzir
correntes em torno de 10 a 80 kA, mas existem
registros em torno de 250 kA[2], sendo que um raio
trabalha com uma tensão elétrica da ordem de 10 MV.
A forma da corrente é unidirecional, sendo de
polaridade negativa na maioria das ocorrências. A
corrente de um impulso atinge seu máximo em 5μs, em
média, tendo uma duração total do impulso em torno
de 100μs. A duração total da descarga varia entre
0.1 a 1000 ms. Uma descarga pode liberar entre 1 a
40 C de carga elétrica e podendo dissipar uma
potência elétrica de até 100 MW.
Formação das descargasA etapa de acúmulo de cargas
que alimentam a descarga é pouco conhecido e de
difícil mediç����������������������������������o, devido ao próprio fenômeno
interferir violentamente em qualquer instrumento.
Mas o princípio básico é relativamente conhecido:
Na formação da nuvem, ocorrem ciclos de estado da
água, que ascende até o da nuvem, passa para
forma de gelo (incluindo neve e granizo), caindo e
voltando para o estado líquido. Neste ciclo ocorre a
troca de cargas entre as partículas de água, havendo
desequilíbrio e concentrações. Notavelmente
observa-se um centro de cargas negativas na parte
inferior da nuvem, seguido por um centro de cargas
positivas na parte central.
Animação mostrando a interação de cargas elétricas
que formam um raio.Em um limiar de concentração de
cargas, e consequentemente a concentração de campo
elétrico, ocorre o efeito de avalanche de Townsend,
no qual cargas elétricas são liberadas, chocando-se
com outras partículas, realizando um encadeamento do
processo que irá ionizar o ar. Juntamente com a
avalanche, o meio é ionizado pela própria radiação
que emite (fotoionização), no qual alimentará a
formação de núcleos que formarão o canal da
descarga.
A ionização propaga-se em direção ao solo, tendo o
nome de precursor descendente. Eventualmente, as
cargas elétricas do solo serão induzidas, no qual
formarão um processo similar de ionização, chamado
de precursor ascendente.
A formação do canal assume um caminho tortuoso, pois
é altamente probabilístico (pequenas variações de
partículas e cargas no ar), além de assumir
ramificações.
Eventualmente os precursores ascendente e
descendente se encontrarão, fechando desta forma um
circuito elétrico entre nuvem e solo. Neste instante
ocorre a fase intensa da descarga, no qual o canal
será violentamente aquecido, transformando-se em
plasma, elevando desta forma sua condutividade
elétrica e possibilitando sustentar a corrente
elétrica.
Após a condução parcial da carga elétrica da nuvem,
na forma de um impulso rápido, o canal conduzirá uma
corrente menos intensa, chamada corrente de
continuidade. A seguir, canal se resfriará,
finalizando o primeiro impulso.
É comum a ocorrência de novos impulsos pelo mesmo
canal de descarga, após um intervalo da ordem de 10
ms. A duração total da descarga, entre impulsos e
intervalos, pode chegar a 1 s.
Parte da energia dos raios é consumida na formação
do ozônio, na qual 3 moléculas de oxigênio se unem
para formar duas de ozônio. Basicamente toda camada
de ozônio existente em volta do planeta foi formada
utilizando-se da energia dos raios (plasma).
Trovão ou Trovoada
Multiplos raios em Swifts Creek, Austrália.As ondas
sonoras geradas pelo movimento das cargas elétricas
na atmosfera são denominadas trovões. O trovão é
resultado da rápida expansão do ar em virtude do
aumento da temperatura do ar por onde o raio passa.
FormaçãoO trovão é uma onda sonora provocada pelo
aquecimento do canal principal durante a subida da
descarga de retorno. Devido a alta variação de
temperatura no canal, e a subsequente variação da
pressão a sua volta, o ar aquecido se expande e gera
duas ondas: a primeira é uma violenta onda de choque
supersônica, com velocidade várias vezes maior que a
velocidade do som no ar e que nas proximidades do
local da queda é um som inaudível para o ouvido
humano; a segunda é uma onda sonora de grande
intensidade a distâncias maiores. Essa constitui o
trovão audível.
Características
Raio deixando área sem luz.Os meios de propagação
dos trovões são o solo e o ar. A frequência dessa
onda sonora, medida em Hertz, varia de acordo com
esses meios, sendo maiores no solo. A velocidade do
trovão também varia com o local onde se propaga. O
trovão ocorre sempre após o relâmpago, já que a
velocidade da luz é bem maior que a do som no ar. O
que escutamos é a combinação de três momentos da
propagação da descarga no ar: primeiro, um estalo
curto (um som agudo ensurdecedor) gerado pelo
movimento da descarga de retorno no ar. Depois, um
som intenso e de maior duração que o primeiro
estalo, resultado da entrada ou saída da descarga no
solo e por último, a expansão de sons graves pela
atmosfera ao redor do canal do relâmpago. Podemos
ter uma percepção do som diferente, mas essa ordem é
a mesma.
Logo, é muito perigoso ficar próximo ao local de
queda de um relâmpago. A energia acústica ou energia
sonora gasta para provocar esses estrondos é
proporcional a frequência do som. A maior parte
dela, cerca de 2/3 do total, gera os trovões no solo
e o restante (1/3) provoca som do trovão no ar.
Mesmo assim, eles costumam ser bem violentos, como
podemos perceber. Por causa da frequência, os
trovões no ar são mais graves (como batidas de
bumbo).
Aqueles estalos característicos dos trovões, os sons
bastante agudos, além de dependerem da nossa
distância à fonte, se relacionam com as deformações
do canal e de suas ramificações. Quanto mais
ramificado o canal, maior o número de estalos no
trovão. Se o observador estiver próximo do relâmpago
(a menos de 100 metros, por exemplo) o estalo será
parecido a de uma chicotada. Isso está associado a
onda de choque que antecede a onda sonora.
DuraçãoA duração dos trovões é calculada com base na
diferença entre as distâncias do ponto mais próximo
e do ponto mais afastado do canal do relâmpago ao
observador. Por causa dessa variação de caminhos, o
som chega aos nossos ouvidos em instantes
diferentes. Em média, eles podem durar entre 5 e 20
segundos.
SegurançaOs abrigos devem ser procurados em caso
indícios de tempestades. Deve ser evitada
proximidade com a água e objetos altos, metálicos e
eletrodomésticos, mesmo dentro de casa. Ao ar livre,
o lugar mais seguro para ficar em caso de raios é
dentro de um objeto metálico fechado, como um carro
ou avião.
Brasil
Raios durante uma tempestade na Lapa, em São Paulo.O
Brasil é o país no qual mais se registra o
acontecimento de raios em todo o mundo. Por ano,
cerca de 50 milhões de raios atingem o território
brasileiro, estima o Elat (Grupo de Eletricidade
Atmosférica), do Instituto Nacional de Pesquisas
Espaciais. É o dobro da incidência nos Estados
Unidos, por exemplo. Cada descarga representa um
prejuízo de R$ 10 para o setor de energia. Ao todo,
os raios causam um prejuízo de R$ 1 bilhão anual à
economia do Brasil, apurou o Elat.
O setor elétrico é o que acumula mais perdas, com
cerca de R$ 600 milhões por ano. Depois seguem os
serviços de telecomunicações, com prejuízo de cerca
de R$ 100 milhões por ano. Também são atingidos os
setores de seguro, eletroeletrônicos, construção
civil, aviação, agricultura e até pecuária. Os raios
também foram responsáveis por 236 mortes no Brasil
em 2008 – o recorde da década.
Segundo o Elat, de 2000 a 2009, 1.321 pessoas
morreram atingidas por raios no Brasil. O estudo
aponta para a média de 132 mortes por ano. O Sudeste
foi a região onde mais pessoas morreram (29%),
seguido pelo Centro-Oeste (19%), Norte (17%),
Nordeste (18%) e Sul (17%). A maior parte das mortes
ocorre na zona rural (61%), contra 26% na zona
urbana, 8% no litoral e 5% em rodovias.
Uma explicação para essa grande quantidade de raios
deve-se ao tamanho do território, condições
climáticas e a ausência de grandes elevações no seu
relevo.
O aquecimento global pode levar ao aumento na
incidência de raios. Nas estações quentes, a
incidência dos raios também aumenta.
A cidade brasileira que mais recebe descargas
elétricas é Teresina, capital do Piauí — chegando a
ser a terceira cidade do mundo onde mais acontecem
sequências de descargas elétricas. Por esta razão, a
região recebe a curiosa denominação de "Chapada do
Corisco".
Referências:
1. McGraw-Hill Encyclopedia of Science and
Technology. McGraw Hill, 1997: 74
2. Berger, K., et al. "Parameters of Lightning
Flashes", Electra, 80: 23-37, 1975.
3. Uman, M. A. The Lightning Discharge, Dover, 2001
4. a b c Raios matam 1,3 mil pessoas em dez anos -
G1, 2 de março de 2010 (visitado em 2-3-2010).
5. Estudo mostra que Brasil é campeão mundial em
incidência de raios (HTML). JB Online. 1 de abril de
2009. Página visitada em 1 de abril de 2009.
6. Teresina Panorâmica - Panoramic Teresina -
www.teresinapanoramica.com. Página visitada em 2 de
Abril de 2010.
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