Mistérios das descargas elétricas atmosféricas

As descargas elétricas atmosféricas sempre despertaram temor e, ao mesmo tempo, curiosidade aos homens desde os primeiros tempos de sua existência. Já foram consideradas manifestações divinas e eram geralmente associadas à ira dos deuses.

Na verdade, a verdadeira natureza desses fenômenos somente foi compreendida no Século XVIII, quando começaram os estudos a respeito da eletricidade. Benjamim Franklin foi o primeiro a comprovar a natureza elétrica dos raios, e inventou o pára-raios, dispositivo que, ao atrair o raio para si, protege as pessoas e construções ao redor.

Todavia, ainda hoje restam muitos mistérios a respeito da eletricidade atmosférica. A despeito da alta tecnologia hoje disponível, ainda não se sabe exatamente, por exemplo, porque as cargas elétricas se separam dentro das nuvens.

A eletricidade atmosférica está associada a nuvens do tipo cumulus-nimbus. Essas nuvens, extremamente comuns, são formadas em ar instável, por correntes convectivas de ar quente subindo cada vez mais alto na atmosfera. Os cumulus-nimbus formam células, cada uma por si só capaz de produzir uma tempestade. Calcula-se que se formam 40 mil dessas células por dia, no mundo inteiro.
A grande quantidade de água dentro de uma célula, ao subir sob o efeito de uma forte corrente ascendente de ar, chega ao ponto de congelamento ao atingir certa altitude, e volta a se liquefazer, ao se precipitar para altitudes mais baixas, sob o efeito do seu próprio peso ou de correntes descendentes. É nesse processo de sobe-e-desce e congela-e-descongela que as cargas elétricas se separam. As cargas elétricas positivas se acumulam no topo da nuvem, e as negativas na base da mesma.
Obviamente, a maioria das cargas elétricas formadas dentro de uma célula se descarregam entre o topo e a base de uma mesma nuvem, gerando o relâmpago. Entretanto, ocorrem descargas de eletricidade para o solo e também para a alta atmosfera, assim como para outras células próximas.

Tanto as cargas positivas quanto as negativas alcançam grandes diferenças de potencial em relação ao solo. O ar é mau condutor de eletricidade, sendo necessário uma grande diferença de potencial para vencer a sua resistência à passagem da corrente elétrica. Quanto maior for a distância da nuvem ao solo, maior terá que ser a diferença de potencial para que ocorra um raio.
Como a base da nuvem está mais próxima do solo, a maioria dos raios são negativos, já que a base da nuvem tem carga elétrica negativa. Inicialmente, as cargas elétricas ionizam um trajeto entre a nuvem e o solo. Esse caminho de ar ionizado segue o caminho de menor resistência dielétrica do ar, sendo muito tortuoso, e pode se originar tanto da nuvem quanto do solo. Quando uma corrente iônica se aproxima do solo, ou da nuvem, induz à formação de outras, originadas no sentido oposto. Esse caminho, chamado de líder ou precursor, fornece um condutor iônico por onde o raio irá passar. A ionização do ar, nesse momento, pode produzir fenômenos de eletroluminescência, chamados de fogos-de-santelmo (foto abaixo, no parabrisas de uma aeronave)
Pode-se, portanto, saber se um raio se originou na nuvem ou no solo. A origem é em um único ponto, e os pontos de descarga são múltiplos, dando origem a ramificações do raio. Se um raio se ramifica ao chegar à terra, é um raio descendente negativo. Se a ramificação ocorre em direção à nuvem, trata-se de um raio ascendente negativo, ou seja, o raio, predominantemente, sobe da terra, e não "cai" da nuvem.
A grande maioria dos raios são descendentes negativos. Mas pode ocorrer raios que saem do topo das nuvens, onde as cargas elétricas são positivas. Esse tipo de raio é muito mais raro e intenso, pois é necessário uma enorme diferença de potencial para vencer a distância do topo das nuvens ao solo. Nuvens cumulus-nimbus alcançam facilmente altitudes de 33 a 50 mil pés, e algumas chegam a até 85 mil pés.
O mecanismo de formação de um raio positivo (fotos acima e abaixo) é o mesmo dos raios negativos, ou seja, também há a formação de uma corrente iônica precursora e também existem raios ascendentes e descendentes. A maior diferença está na intensidade da corrente, muitas vezes maior nos raios positivos. Por isso, esses raios são chamados, às vezes, de "super-raios". Quando se ramificam para baixo, são raios descendentes positivos, e quando se ramificam para cima, de raios ascendentes positivos.
Ao contrário do ditado popular, os raios tendem a cair sempre nos mesmos lugares. Isso pode ocorrer em frações de segundos, pois descargas elétricas mais fracas podem seguir uma mais forte, aproveitando o canal ionizado formado pela primeira descarga.
Por muito tempo, acreditou-se que que as descargas sempre ocorriam dentro da nuvem, entre duas nuvens ou entre a nuvem e o solo. Mas não é isso o que acontece, pois também ocorrem fenômenos semelhantes na alta atmosfera, entre a nuvem e a ionosfera, camada da atmosfera ionizada principalmente pela radiação solar.
Os mais comuns desses fenômenos são os sprites (imagem acima), descargas positivas que ocorrem alguns milissegundos após a descarga de um raio negativo para o solo. Alcançam altitudes que vão de 45 a 90 km acima do topo das nuvens. Outros fenômenos semelhantes, como os jatos azuis e os elves, esses últimos com formato de halo, também ocorrem entre as nuvens e a alta atmosfera (figura abaixo).
Esses fenômenos da alta atmosfera são de baixa luminosidade, razão pela qual somente foram detectados a partir de 1989. São gerados pela interação elétrica e eletromagnética dos relâmpagos e raios com a alta atmosfera. Quando ocorre um raio, essa descarga produz correntes induzidas, que geralmente são incapazes de formar um novo raio, mas que são suficientes para romper a fraca resistência dielétrica do ar rarefeito acima da nuvem, criando fenômenos fracamente luminosos muitos quilômetros acima desta.

Os sprites se manifestam como figuras avermelhadas na alta atmosfera. Os elves são fenômenos mais altos ainda, em forma de halo, que se dispersam a partir do centro, e os jatos azuis são fenômenos mais baixos que se aparentam com fachos de luz azul, daí o seu nome. Sempre se soube que deveria haver uma conexão entre os fenômenos elétricos da troposfera e da ionosfera, para manter o equilíbrio elétrico da atmosfera, e os sprites, jatos azuis e elves eram os "elos perdidos" desse equilíbrio. Todavia, embora se conheçam os princípios básicos da formação desse fenômenos, não se sabe ainda quais são os impactos provocados pelos mesmos no delicado mecanismo de equilíbrio da atmosfera terrestre.

Se os sprites, jatos azuis e elves já estão mais ou menos descritos e explicados, resta ainda um tipo de descarga elétrica atmosférica muito misterioso: o raio globular. É um globo de plasma ou de gás ionizado, de pequeno tamanho, variando entre alguns centímetros a um metro (foto abaixo). Geralmente tem cor vermelho-alaranjada e pode durar entre alguns segundos a, excepcionalmente, vários minutos. É um fenômeno natural, que produz ruídos como estados e zumbidos e deixa um odor de ozônio ou enxofre à sua passagem. Esses raios podem ser deslocar próximo à superfície da terra, e seu movimento é totalmente independente da direção do vento e correntes convectivas.
Os raios globulares são geralmente associados com tempestades, desprendendo-se da nuvem, mas podem ocorrer em tempo claro, e ainda não são bem explicados pela ciência.

Os efeitos dos raios nos aviões são geralmente mais impressionantes do que perigosos, mas já chegaram a provocar acidentes. Tal assunto, assim como os efeitos dos raios nos seres humanos em geral, merece um artigo à parte, que muito brevemente será publicado aqui nesse blog.

Nuvens de cinza vulcãnica, compostas de partículas sólidas vitrificadas, produzem muita eletricidade, mais do que a produzida pelos cumulus-nimbus (foto abaixo).
Quando os raios atingem dunas, praias ou outros solos arenosos, podem penetrar vários centímetros terra abaixo da superfície, derretendo a areia e produzindo um tipo de rocha denominado fulgurito (foto abaixo). Essas rochas reproduzem o exato caminho percorrido pelo raio dentro da areia, e podem inclusive estar ramificadas, como o raio que lhes deu origem.
Sabe-se que os raios são os responsáveis pela formação de ozônio na estratosfera, assim como se sabe que a formação de moléculas de aminoácidos a partir de compostos inorgânicos de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio abundantes na atmosfera primitiva também ocorreram devido às descargas elétricas na atmosfera. A partir dos aminoácidos, formaram-se todas as moléculas orgânicas que, em última análise, geraram a vida na Terra.

Quem sabe então se os antigos não tinham razão, afinal: os raios podem ser realmente a manifestação de Deus na Terra, pois foram eles que, de algum modo, propiciaram o surgimento da vida no nosso planeta.