campo magnetico terrstre

8/4/2019 CAMPO MAGNETICO TERRSTRE

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CAMPO MAGNETICO TERRSTRE

A Terra um planeta que se comporta como um imenso m, estabelecendo assim, um campo magnticoao redor dela. O eixo geomagntico, ou seja, o eixo que une o polo norte e sul magntico terrestre, nocoincide com o eixo de rotao da Terra. Entre esses dois eixos forma-se um ngulo que aproximadamente igual a 13.Hoje j se sabe que essa teoria no verdadeira, pois toda matria que existe no interior da Terra est

em temperaturas to elevadas que tanto o ferro quanto o nquel encontram-se no estado lquido. Noentanto, ainda hoje no se tem a certeza das causas e das fontes do magnetismo terrestre, mas existemalgumas teorias que sugerem que a defasagem entre a parte interna lquida e o manto inferior slido gerauma poderosa corrente eltrica. Essa defasagem se origina a partir da rotao da Terra e as correnteseltricas produzidas nesse processo fazem surgir o campo magntico terrestre. Essa teoria bem aceita,pois explica de modo satisfatrio o campo magntico da Terra como o de outros planetas, por exemplo,Mercrio e Jpiter. Mas ainda desconhecida a fonte de energia que necessria para criar e manter acorrente eltricas, sendo esse um ramo de pesquisa contnuo.

Nesse sentido a Terra possui um campo magntico que varia constantemente em intensidade e fora,que interage com as foras naturais - eletricidade, radioatividade, radiao solar e csmica, bem comocom os fenmenos atmosfricos e geolgicos.

. O conjunto de linhas de fora do campo magntico e suas mltiplas interaes combinam-se no que

denominada de magnetosfera, que se formam pela interao do campo magntico da Terra com amatria ionizada do vento solar, que ao no poder cruzar as linhas de fora do campo magnticocircundam a esfera magntica do planeta (Bueno, op.cit.).

Fatores fsicos geradores de campos eletromagnticos terrestres

gua Subterrnea em Movimento e descontinuidades terrestres

Dentre os fatores fsicos causadores de stress e doenas nos seres vivos, a gua subterrnea emmovimento tem papel relevante. A energia emitida pela Terra, atravs da Crosta Terrestre, em sua grandemaioria, equilibrada bioticamente, no entanto a gua subterrnea em movimento quebra esse equilbrio,causando uma ruptura de foras.

VENTO SOLAR

O conjunto de linhas de fora do campo magntico e suas mltiplas interaes combinam-se no que denominada de magnetosfera, que se formam pela interao do campo magntico da Terra com amatria ionizada do vento solar, que ao no poder cruzar as linhas de fora do campo magnticocircundam a esfera magntica do planeta .

O vento solar a emisso contnua de partculas carregadas provenientes dacoroa solar.Essas partculas podem ser eltrons eprtons, alm de sub-partculas como os neutrinos.Comefeito, a deflexo das partculas do vento solar varia conforme o campo magntico do planeta:quanto maior aintensidade magntica, maior ser a deflexo.

Introduo Eletrodinmica Atmosfrica

IntroductiontotheAtmosphericElectrodynamics

Odim Mendes Jr.*

DGE-CEA/INPE, Caixa Postal 515, 12201-970,So Jos dos Campos, SP


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Margarete Oliveira Domingues

LMO-CPTEC/INPE, Cx. P. 515, 12201-970So Jos dos Campos, SP

Recebido em 6 de agosto, 2001. Aceito em 21 de janeiro, 2002.

A Eletrodinmica atmosfrica governa os processos fsicos na Terra,afetando a vida, instalaes e servios tecnolgicos. Com o objetivode auxiliar os professores, pesquisadores e estudantes a lidarem comesta rea e suas conseqncias, o ambiente eletrod inmico apresentado neste tutorial.

The Atmospheric Electrodynamics rules important processes in theEarth, affecting the life, installations and technological services. Inorder to help teachers, researches and students to deal with this areaand their consequences, the electrodynamical environment ispresented in this tutorial.

I Introduo

Este texto tem o propsito de apresentar aos professores, estudantese pesquisadores uma viso abrangente e algo aprofundada de umarea que est se tornando cada vez mais importante:a Eletrodinmica Planetria. Devido s inovaes tecnolgicas eservios disponveis para a sociedade humana, como por exemplo,recursos de telecomunicaes, recursos sofisticados de informtica evos de aeronaves de passageiros sob novos projetos tcnicos, esseassunto constitui-se um nicho de mercado a ser explorado e deinadiveis pesquisas para entendimento de variados fenmenos.Servindo de base tambm para o entendimento de fenmenos doEspao Prximo (regio onde transitam astronautas e sondasespaciais) e de fenmenos da Aeronomia (regio de atmosfera aindarelativamente densa mas de alta ionizao), este trabalho preocupar -se- com processos fsicos de eletrificao geral da atmosfera e dasdescargas eltricas na baixa atmosfera ( e70 km) pela suaimportncia ampla e imediata.

Em geral, os processos naturais mostram-se de comportamentocomplexo, de medio complicada, exigindo investigaes


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multidisciplinares. A Eletrodinmica Atmosfrica, que parte daEletrodinmica Planetria, enquadra-se plenamente nessa categoriade fenmenos, requerendo planejamentos inter-institucionais,perseverana de anlise nos tpicos investigados e discussesintensivas de profissionais de diferentes reas do conhecimento.Atualmente, concernentes aos estudos mundiais de CinciasEspaciais, Atmosfricas e Ocenicas , vrios aspectos tm sidoconsiderados para a modernizaco dessas reas. O monitoramento daatividade eltrica, em bases contnuas ou em campanhas completas,coordenadas e intensivas, est entre as ferramentas consideradasnessa modernizao.

Nela, entre as diretrizes principais esto saber estabelecer questes -chave, coletar informaes adequadas e dispor de pessoal adequado.O conhecimento resultante contribuir para aplicaes diretas namodelagem numrica do tempo e do clima para fins que afetamdiretamente a sociedade civil, inclusive nas reas de sade; laze r e

turismo; os setores produtivos, seja na agricultura e pecuria, sejaem diversos setores da atividade industrial; alm da segurana dostransportes areos, terrestres e martimos; da geraco e distribuiode energia e gerenciamento da gua, dentre outros. Atualmentediscute-se a extenso dos conceitos de tempo e clima para regiesque no esto restritas atmosfera prxima ao solo.

Dadas s caractersticas continentais do territrio nacional (extensoe posico geogrfica), h a necessidade de estabelecer tantoabordagens espaciais amplas como abordagens peculiares a regiesespecficas, o que requer o conhecimento dos mltiplos aspectos de

quaisquer fenmenos sob investigao. Por exemplo, observa-se nameteorologia brasileira que muitos dos modelos c onceituais depreviso de tempo atualmente em vigor possuem sua concepooriginal associada a observaes e anlises fsicas dos fenmenosocorridos em regies temperadas da Europa, Amrica do Norte esia. De uma forma geral, eles podem ser utilizados em certassituaes no Brasil; entretanto, esses modelos no se aplicamirrestritamente a muitos dos fenmenos que diariamente soobservados nos trpicos. Conhecer melhor os processos fsicosgeradores dos sistemas de tempo, suas iteraes entre escalas (la rgaescala, escala sinptica, meso escala, escala local e microescala) e

seu padro de comportamento (temporal e espacial) nas diversasregies do Brasil de vital importncia na melhoria da previsoregional.

Atualmente, entre as anlises da atmosfera associadas s condiesde tempo de interesse da sociedade, deve-se considerar omonitoramento da atividade eltrica atmosfrica em suas vriasformas de estudo (modelagem matemtica, investigaes fsicas,experimentaes de engenharia, etc.) e de suas potenciais


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aplicaes, que, na parte de coleta experimental de informaes desuperfcie, pode contar com (a) sistemas de deteco e rastreio derelmpagos; (b) sistemas de imageamento de fenmenosatmosfricos (nuvens, relmpagos, sprites, e outros fenmenospticos transientes); (c) sistemas de monitoramento acstico daatividade eltrica, em especial do trovo; (d) sistemas demonitoramento do campo eltrico atmosfrico (AC/DC) - detectoresfieldmill, detectores de sferics e detectores similares; e (e) sistemasde integrao das informaes eltricas s demais informaesatmosfricas. A essas acrescentam-se ainda outras tecnologiasrecm-aprimoradas de monitoramento com o uso de satlites e devrios tipos de radares.

Para levar a termo esse tipo de ao, necessrio o desenvolvimentoe/ou a adoo de equipamentos tecnolgicos avanados. No entanto,primordialmente, h a necessidade de formao ou capacitao derecursos humanos para a investigao proficiente da fsica dos

fenmenos, do tempo e do clima, e tambm da apropriaotecnolgica pertinente.

Assim, o propsito deste tutorial colaborar para a modernizaodessas reas de estudo no Brasil por meio do fornecimento de umaviso geral do assunto Eletrodinmica Atmosfrica e pelo incentivo aodesenvolvimento de ncleos multidisciplinares ou surgimento denovos ncleos de estudo. Esse texto, portanto, apresenta de formasucinta: o ambiente eletrodinmico que envolve a Terra; o cenrioabrangente da Eletricidade Atmosfrica; elementos do CircuitoEltrico Atmosfrico Global (CEAG); e tpicos de pesquisa em

Eletrodinmica Planetria.

II O ambiente eletrodinmico da terra

O Sol o agente primrio dos processos naturais na Terra e tambmsustenta a vida na litosfera. Inicialmente apresenta-se oconhecimento bsico sobre a gnese do ambiente eletrodinmicoterrestre [1,2], que envolve a fsica do Sol, o campo magnticointerplanetrio e o acoplamento Sol-Terra.

II.1 A fsica solar

O Sol uma estrela como muitas outras que existem no Cosmo.Apresenta distncia do centro da Via-Lctea de 3 1016 km,velocidade angular em torno do centro galctico de 200 km/s, raiosolar mdio de 6,96105 km, e massa de 2,0 1030 kg. A atmosferagasosa do Sol gira mais rpido no equador do que nos plos,apresentando um perodo mdio de 27 dias terrestres. Em 22 anos


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completa-se um ciclo de inverso da polaridade do campo magnticodo Sol. As reaes nucleares acontecem no centro do Sol, onde atemperatura de 107K e a presso de 1011 atm terrestres. Aseguir, a energia escapa na forma de radiao (na regio de 0,2 a0,8 raio solar). Da at a superfcie visvel, a energia transportadapor conveco de matria. O Sol e os planetas foram provavelmentecondensados da matria gasosa interestelar em torno de 5 bilhes deanos atrs. O Sol cerca de 70% em massa composto de hidrogniocom pequenas quantidades de quase todos os elementos. Podem -seconsiderar dois modelos bsicos para o Sol.

No Modelo do Sol Calmo, o Sol visto como uma bola de gasesquentes, simetricamente esfrica e esttica. Isso significa que aspropriedades solares mudam apenas com a distncia radial e que seapresentam uniformes sobre qualquer casca esfrica. Neste modeloestratifica-se o Sol em camadas caractersticas, que so:

Ncleo:regio em que, sob a prpria atrao gravitacional, a matriasolar comprimida a uma elevada densidade e elevada temperatura,de forma que as reaes nucleares ocorrem. Essas reaes so afonte de energia que est continuamente irradiando para o espao eproduz a atividade solar. Tem a espessura de 0,2 raio solar.

Zona intermediria: regio em que a energia inicialmente escapana forma de radiao e a seguir faz-se em processo de difuso. Tema espessura estimada de 0,6 raio solar.

Zona de conveco:regio em que o processo turbulento de

conveco de matria domina no transporte de energia. Tem aespessura de 0,2 raio solar.

Fotosfera: regio do Sol em que a maior parte da energia emitidana forma de radiao visvel. Tem a espessura de 300 km.

Cromosfera: regio acima da fotosfera com tom avermelhado(devido ao efeito de absoro e re-emisso da radiaoeletromagntica HE). Tem a espessura de 15000 km.

Coroa solar: regio mais externa do Sol que se estende para o meio

interplanetrio. Ela a fonte do vento solar. Tem a espessurasuperior a 2106 km.

A Fig. 1 apresenta a estratificao solar e o fluxo de energia dointerior para o exterior.


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A regio coronal do Sol apresenta-se to quente (106 K) que mesmoa sua enorme fora gravitacional no consegue reter as partculasque a populam. Dessa forma, parte da coroa est constantemente''evaporando'', isto , escapando em um fluxo aproximadamenteconstante para longe do Sol, e forma o que denominado ventosolar. O vento solar caracteriza-se por ser um plasma (gs ionizadode comportamento coletivo e macroscopicamente neutro),essencialmente formado de prtons, eltrons e hlio; cuja velocidad evaria de aproximadamente 200 a 1000 km/s que tem uma densidadeaproximada de 10 partculas/cm3.

Em contraste, o Modelo do Sol Ativo considera os processos queocorrem em regies localizadas da atmosfera solar e dentro deintervalos finitos de tempo. As causas da atividade solar so o campomagntico de grande escala do Sol e a sua rotao diferencial (doSol). O campo magntico solar no provm de um dipolo no interior

do Sol (como o da Terra); porm parece resultar da contribuio dosvrios campos produzidos nas camadas superficiais do Sol. Ainterao complexa do campo magntico solar com a sua rotaodiferencial produz perturbaes localizadas no Sol, permitindo aliberao de energia magntica na forma de energia cintica. Issoproduz, entre outros fenmenos, exploses solares e proeminnciaseruptivas e, s vezes, por consequncia, ejees de matria coronal.Isso sobrepe-se radiao eletromagntica normalmente emitida


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pelo Sol. As exploses so essencialmente uma liberao abrupta deenergia provavelmente extrada do campo magntico das manchassolares, capaz de acelerar eltrons e ons at altas energias. J aproeminncia eruptiva um arco de plasma solar aprisionado naslinhas magnticas que se expande para longe do Sol.

II.2 O campo magntico interplanetrio

O campo magntico do Sol, por estar imerso em um plasma, destaca -se do Sol penetrando no meio interplanetrio. Por efeito depropriedades magnticas, esse campo propaga-secongelado no ventosolar. Devido rotao do Sol, isso d origem a uma configuraoespiral (Espiral de Arquimedes, Fig. 2). Assim, as linhas de campomagntico solar em um hemisfrio afastam-se e no outroaproximam-se, at sofrerem ao longo do tempo uma inverso, o quecaracteriza entre outros efeitos o Ciclo de atividade solar. Emconsequncia de uma lei fsica de continuidade, surge entre os

campos magnticos interplanetrios de orientaes opostas umalmina de corrente eltrica, que se apresenta ondulada (com 2, 4 ou6 setores).

A intensidade e a orientao do campo magntico interplanetrio e a

densidade, a composio e a velocidade do plasma solar dependemde fenmenos que ocorrem no Sol e no meio interplanetrio. Essesfenmenos podem ser relacionados sucintamente como:

Setor de lmina de corrente:regio de corrente eltrica existentepela descontinuidade do campo magntico heliosfrico.

Choque interplanetrio:um feixe de plasma que se deslocasupersonicamente no meio interplanetrio. Caracteriza-se pelas


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alteraes abruptas dos parmetros interplanetrios (densidade,temperatura, velocidade do plasma solar e orientao e intensidadedo campo magntico interplanetrio).

Interao de feixes interplanetrios:um feixe mais rpido quealcana um feixe mais lento. Caracteriza-se geralmente por uma

interface nos parmetros densidade, velocidade e temperatura doplasma solar.

NCDE (NoncompressiveDensityEnhancement):uma elevao dedensidade do plasma solar que no foi produzida por compresso domeio interplanetrio, porm gerada no prprio Sol. Caracteriza-sepela elevao na densidade quando a velocidade est decrescendo.

Flutuaes do tipo ondas alfvnicas:perturbao do meiointerplanetrio que se caracteriza por flutuaes correlacionadas dosparmetros velocidade do plasma solar e das componentes do

campo magntico interplanetrio.

II.3 O acoplamento Sol-Terra

A radiao eletromagntica do Sol tanto aquece quanto ioniza aatmosfera terrestre. Como a Terra possui um campo magntico, ovento solar incidente interage com essa atmosfera ionizada emagnetizada, estabelecendo uma regio espacial dinmica queenvolve a Terra, denominada Magnetosfera, em que os processosfsicos so dominados pelo campo geomagntico (Fig.3). Essa regiofsica de importncia nos processos de deposio de energia e de

matria na atmosfera terrestre.


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Grosso modo, as regies da magnetosfera podem ser classificadas dediferentes modos, como, por exemplo, quanto a regies de linhasmagnticas fechadas ou abertas; quanto ao tipo e organizao doplasma; etc. Essencialmente, no lado diurno h um achatamento damagnetosfera e no noturno, um prolongamento, constituindouma cauda magnetosfrica. Essa cauda pode armazenar energia coma liberao posterior gradual ou abrupta e tambm na forma de umabolha de plasmas (esta denominada plasmide). O vrtice polarpermite acesso direto do plasma solar regio da atmosfera superiorda poro diurna da regio auroral. Nas regies de mais baixaslatitudes, as partculas incidentes tambm contribuem para oestabelecimento de correntes eltricas, contribuindo para aenergizao e a populao das altas camadas (distncia superior a 3raios terrestres).

O fluxo de energia do vento solar muito menos intenso que o fluxode energia da radiao visvel; porm a seco eficaz de choque

muitas vezes maior. A energia potencialmente suprida pelo ventosolar de aproximadamente 3,0 106 megawatts. A pressodinmica do vento solar ou fluxo de momentum controla o tamanhoda magnetosfera. A orientao e a intensidade do campo magnticointerplanetrio controlam a taxa do fluxo de energia dentro damagnetosfera e esse processo de energizao no estacionrio.Como os fenmenos de atividade solar e do meio interplanetrioafetam o acoplamento eletrodinmico terrestre e, em decorrncia,afetam os dispositivos eletroeletrnicos e o ecossistema, uma novarea de atuao tem se definido atualmente, no sentido demonitoramento de um tempo espacial e mesmo de um clima espacial.

Essa nova preocupao cientfica e tecnolgica tem sido designadade Space WeatherForecasting.

Assim, esse cenrio eletromagntico e eletrodinmico cria efeitos osmais diversos com aquecimentos, campos eltricos e correnteseltricas na atmosfera terrestre, produzindo a mais variada ordemde fenmenos, com vrias escalas espaciais e temporais deocorrncia.

III A eletricidade atmosfrica

O tpico Eletricidade Atmosfrica faz parte da rea de pesquisaEletrodinmica Planetria [3,4,1]. Esse um tpico multidisciplinar,sendo que a abordagem fundamental o Eletromagnetismo.Apresenta-se a seguir o arcabouo bsico desta rea de investigao,principalmente para os que no tiveram oportunidade de contato comeste assunto, e que bem provavelmente tero de estender pesquisassobre um ou outro tpico. Fruto das pesquisas recentes dos autores


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conduzidas no INPE, o propsito desse tutorial despertar o interessee motivar a atuao de profissionais de vrias reas (fsica,meteorologia, matemtica, engenharia, etc.) em pesquisascooperativas e integradas. Esse texto desenvolver -seem torno doscampos eletromagnticos de baixa frequncia, em muitas situaes,campos que podero ser considerados estacionrios. A eletricidadeatmosfrica de baixa altitude volta a despertar um interessesignificativo da comunidade internacional, pelas recentesconstataes fsicas, que revelam o carter integrado de toda aatmosfera. Isto , a troposfera (regio at aproximadamente 15km,em que a temperatura cai com a altura) mostra-se acopladaeletricamente mdia e alta atmosferas, e de uma forma bastanteativa. Muitas das propriedades eltricas da atmosfera podem sertratadas pela eletrosttica. A abordagem eletrosttica pode serconsiderada quando as interaes entre as cargas dependem da suaposio relativa e no dos seus movimentos. Mesmo os relmpagos,que no so evidentemente estticos, podem ser inicialmente

tratados assim.

III.1 Elementos de eletricidade e magnetismo

A natureza tem uma propriedade eltrica intrnseca. Com isso, querse dizer que h uma propriedade fundamental nas partculaselementares que compem os objetos materiais, a carga eltrica.Essa propriedade bsica pode ser revelada quando se atritam oscabelos com um pente em uma a tmosfera mais seca e, ento, seaproxima esse pente de pequenos pedaos de papel. Os papis soinicialmente atrados e depois repelidos pelo pente. Fenmeno

semelhante ocorre ao se friccionar um basto de vidro com umpedao de seda ou um basto de mbar com um pedao de pele degato ou, ainda, quando se atrita o brao em um pedao de isopor. Apropriedade que esses experimentos identificam recebe o nomede eletricidade, derivado da palavra grega elektron que significambar.

Experimentos diversos revelam a existncia de duas espcies decargas eltricas, convencionadas de cargas eltricas positivas ecargas eltricas negativas. Estudos mais acurados revelam que amatria formada depequenos tijolinhos, denominados tomos

(Fig. 4). Os tomos constituem-se de prtons (com carga positiva emassa igual a 1,6725 10-27 kg), de eltrons (de carga absoluta igual do prton mas negativa e de massa 1840 vezes menor que a massado prton) e de nutrons (com massa levemente maior que a doprton e sem carga).


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III.1.1 Lei de Coulomb

Considerando-se a interao eltrica entre duas partculaseletricamente carregadas em repouso para um observador em umsistema de referncia inercial, ou, quando muito, em movimento abaixa velocidade, os resultados constituem o que se chamade eletrosttica. Essa interao regida pela Lei de Coulomb, em

homenagem ao engenheiro francs Charles A. de Coulomb (1736-1806), formulada como:

A interao eletrosttica entre duas partculas carregadas proporcional s suas cargas e ao inverso do quadrado da distnciaentre elas e tem a direo da reta que une as duas cargas .

Ou matematicamente:

em que r a distncia entre as duas cargas q e qd, a fora queatua sobre qualquer das cargas e 0 a constantepermissividadeeltrica do vcuo.

Um aspecto interessante que a carga eltrica no aparece comqualquer quantidade, porm apenas como um mltiplo de umaunidade fundamental (e), ou quantum, cujo valor 1,6021 10-19C.


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III.1.2 Campo Eltrico

Um conceito abstrato til o do campo eltrico, , produzido poruma carga em uma posio qualquer no espao. Devido a essecampo, uma carga qualquer (qd) colocada neste ponto sentiria asolicitao de uma fora. Essa grandeza vetorial pode ser formuladacomo:

O campo eltrico obedece o princpio da superposio linear, isto :

III.1.3 Potencial eltrico

Uma partcula eletricamente carregada, colocada em um campoeltrico, tem energia potencial devido sua interao com o campo.Opotencial eltricoJ em um ponto definido como energia potencialpor unidade de carga colocada no ponto.

Considerando-se a energia associada configurao de uma partculaem um campo eletrosttico, pode-se escrever que a variao dotrabalho, HW, dada por um produto escalar:

em que d o caminho percorrido. Isso permite encontrar opotencial J para uma carga q, i.e.,

o que conveniente e sugestivo para o clculo do potencialresultante para um conjunto de cargas, pois o potencial um valor

escalar, de mais fcil manuseio numrico. Explicita -se que o campoeltrico dado pela variao mxima da taxa espacial do potenc ialeltrico e seu sentido oposto direo da mxima variao, ouseja:

III.1.4 O fluxo eltrico e a Lei de Gauss


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Outro conceito muito til a Lei de Gauss.

O fluxo eltrico total atravs de uma superfcie fechada dada pelacarga eltrica lquida total dentro dessa superfcie .

Na forma integral:

Na forma diferencial:

A combinao da Lei de Gauss com = J descreve todos os

fenmenos eletrostticos. Embora, em geral, sua aplicao no sejatarefa fcil ou sempre possvel.

III.1.5 Outras consideraes relativas s propriedadeseltricas

Campos eltricos sobre e dentro de condutores eltricos Nointerior dos condutores eltricos no haver campo eltrico, pois ascargas movimentar-se-o at estabelecer um mesmo potencialeltrico. J na superfcie, as cargas se ajustaro de forma a restarapenas a componente de campo eltrico normal superfcie. As

cargas sero retidas na superfcie e no sofrero mais solicitaotangencial a ela. Esse o princpio que rege a gaiola de Faraday, ouseja, uma superfcie condutora hermeticamente fechada blinda ointerior de um volume a campos eltricos externos.

Corrente eltrica A intensidade de uma corrente eltrica definida como a carga eltrica lquida que passa, por unidade detempo, atravs de uma seco da regio por onde ela flui. A suaformulao pode ser dada como:

em que a intensidade da corrente, HQ a quantidade de cargae Hto intervalo de tempo considerado. A corrente eltrica expressaem coulombs/segundo ou Cs1, designadaampre (unidadeA) emhomenagem ao fsico francs Andr M. Ampre (1775-1836). Porrazes histricas, o sentido de uma corrente eltrica estconvencionado como sendo o do movimento das partculas


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O termo eletricidade atmosfrica nasceu do esforo primordial deestudar a componente eletrosttica do campo geoeletromagntico.

Antes da era espacial, experimentos em bales indicavam aexistncia de um "capacitor atmosfrico", constitudo por umaeletrosfera (70 - 150 km de altitude), a superfcie condutora da

Terra, e o ar entre essas "superfcies". Atualmente, pesquisa-se umsistema mais complexo, constitudo de campos eltricos planetrios(considerar um regime de baixas frequncias). Como a atmosfera eletricamente condutora, um campo eltrico, para ser mantido, deveser provido por foras no-eltricas. Os mecanismos bsicos so:

y Interao do vento solar com a magnetosfera;y Interao dos ventos de mar com o plasma ionosfrico na

regio do dnamo ionosfrico; y Tempestades eltricas na parte inferior da atmosfera.

III.2.1 Campos eltricos planetrios

A estrutura eltrica que envolve a Terra caracteriza-se pela existnciados seguintes campos eltricos:

1. Campo eltrico interplanetrio

O vento solar basicamente um plasma permeado por um campomagntico. Um observador em movimento relativo a esse plasmasentir o seguinte campo:

em que a velocidade relativa do observador com respeito aoplasma; h o campo de induo magntica heliosfrica.

2. Campo eltrico de conveco

O campo eltrico de conveco um campo eltrico quase -esttico ede grande escala que existe na magnetosfera terrestre.

Teorias propostas:

1.Arrasto viscoso do plasma da magnetosfera pelo vento solar. Issocria um fluxo de plasma na cauda da magnetosfera, que origina umcampo eltrico (Fig. 5):


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2. O processo de reconexo magnetosfrica (fuso do campogeomagntico com o campo magntico interplanetrio) permite a

influncia do campo eltrico interplanetrio no interior damagnetosfera. Isso origina o movimento convectivo do plasmamagnetosfrico (Fig.6), regido por:

Em perodos magneticamente calmos (ndice geomagntico kpe 2), amagnitude do campo eltrico, || E||, de aproximadamente 0,3mV/m (milivolts/metro).

3.Campo eltrico de polarizao:


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medida que o plasma da cauda aproxima-se da Terra, ganhandoenergia com o aumento da intensidade do campo geomagntico, aderiva devida ao gradiente deB torna-se importante no movimento,de tal forma que as trajetrias de deriva de prtons e eltrons soseparadas. Isso gera uma separao de cargas (constituindoa camada de Alfvn), que resulta em um campo eltrico. Esse campoeltrico no sentido crepsculo-alvorada, para blindar a plasmasferado campo eltrico de conveco. A camada de Alfvn depende dacondutividade da ionosfera e da energia das partculas que vm dacauda.

4. Campo eltrico de penetrao

Este campo eltrico resulta do desbalanceamento do campo eltricode conveco e do campo eltrico de polarizao. O mecanismo detransferncia para baixas latitudes no est ainda bem conhecido.

5. Campo eltrico de co-rotao:

Admitindo-se que a ionosfera altamente condutora, rigidamenteacoplada atmosfera e envolvida por um plasma condutor, aconfigurao total do campo geomagntico tender a gi rarrigidamente com a Terra. Campos eltricos (e magnticos) emsistemas referenciais de movimentos no-relativsticos so dados pelarelao:

em que o smbolo refere-se ao sistema em movimento e a ausnciadesse smbolo identifica o sistema em repouso. A velocidade zonal dada por:

em que a latitude, wt a velocidade angular de rotao, e R a

distncia radial ao centro da Terra. Isso implica o campo eltrico deco-rotao:

6.Campo eltrico do dnamo ionosfrico (calmo e perturbado):


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O dnamo ionosfrico conseqncia da influncia do Sol e da Lua naatmosfera terrestre. O Sol atua basicamente por aquecimento dacamada de oznio e vapor d'gua, e a Lua atua em funo da atraogravitacional. O Sol e a Lua produzem foras oscilatrias n aatmosfera com perodos de fraes do dia solar (24h) e do dia lunar(24,8h). Essas foras do origem a movimentos do ar neutro (ventosde mar), fundamentalmente na direo horizontal. O movimento doar atravs das linhas de campo geomagntico geram foraseletromotivas que produzem correntes eltricas (Fig. 7) em altitudesem que a condutividade eltrica aprecivel (principalmente naregio Eionosfrica). Por causa das variaes da condutividade navertical e na horizontal, as correntes no podem fluir livremente emtodas as direes e, deste modo, polarizaes so estabelecidas. Aregio do dnamo estende-se praticamente de 90 a 150 km dealtitude. A ordem de grandeza do campo eltrico de 1mV/m.Quanto intensidade relativa, || Elunar|| } 5% da || Esolar ||. Perodosmagneticamente perturbados apresentam valores e comportamentos

alterados de E. O dnamo perturbado estabelecido pelasperturbaes dos ventos termosfricos produzidos por aquecimentoauroral.

7. Campo eltrico da baixa atmosfera:

Na baixa atmosfera (altitudes 70 km), existe um campo eltricoquase-estacionrio com sentido vertical e para baixo, quebasicamente ocorre em regies do cu limpo, denominado campoeltrico de tempo bom. A diferena de potencial entre a eletrosfera ea superfcie da Terra da ordem de 300 kV. A densidade de correnteeltrica de aproximadamente 2 1012 A/m2 e a componentevertical do campo eltrico , no solo, da ordem de 100V/m. Atribui-se s nuvens cumulonimbus, ocorrendo em vrias regies do globo


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terrestre, a razo para a manuteno dessa diferena constante depotencial. As Cumulonimbus so nuvens que se apresentam comoestruturas eltricas intrnsecas, podendo conter cargas eltricas deelevado valor. Essa compreenso fsica leva proposio do conceitode um circuito eltrico atmosfrico global.

IV Elementos do circuito eltrico atmosfrico global

A atmosfera da Terra mostra-se como um circuito eltrico complexo[5,6,7]. A parte desse circuito analisada aqui a poro maisprxima da superfcie ( e 150 km). Essa regio revela-se como umcapacitor esfrico, onde a ionosfera a superfcie externa carregadapositivamente, enquanto a superfcie da Terra a esfera internaconcntrica primeira, carregada negativamente, sendo a nuvem detempestade o gerador que age no sentido de manter a carga negativa

da esfera interna, contribuindo para a manuteno das cargaspositivas na esfera externa. Essa idealizao recebe a denominaode Circuito Eltrico Atmosfrico Global, esquematizada na Fig. 8.

A radiao eletromagntica incidente ioniza a atmosfera terrestre,definindo uma regio altamente ionizada a Ionosfera , localizadaaproximadamente entre 70 e 1000 km. A Ionosfera mostra-sepositivamente carregada e a superfcie da Terra, negativamente, oque d origem a um campo eltrico vertical apontando para baixo. O

valor desse campo prximo ao solo de cerca de 100 V/m. Aatmosfera contida entre essas regies uma mistura homognea degases (Nitrognio }75 % e Oxignio } 24 %), no constituindo umisolante eltrico perfeito. Esse relativo carter condutor permite ofluxo de uma corrente eltrica de cima para baixo, de cerca de 21012 A/m2, que integrada para toda a Terra, resulta uma correnteda ordem de 1 kA. Essa corrente eltrica de tempo bom anularia adiferena de potencial ionosfera-solo em um tempo estimado de 10


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minutos. No entanto, essa diferena de potencial se mantm, sendoas nuvens cumulonimbus identificadas como as principaisresponsveis pela manuteno dos potenciais. Elas atuam como umgerador eltrico, recompondo as cargas na atmosfera. O relmpago,ao mesmo tempo que um efeito, tambm um agente desseprocesso eletrodinmico de transferncia de cargas e de energias.

IV.1 A eletrificao das nuvens

A eletrificao das nuvens resulta da separao de cargas eltricas esua segregao no espao pelos movimentos do ar e de partculassupensas. Os mecanismos envolvidos nessa eletrificao apiam -senas teorias de carregamento por precipitao e por conveco. Noentanto, o mecanismo que predomina ou a proporo com que cadaum atua ainda no est definido. Para esse entendimento sonecessrias pesquisas sobre vrios parmetros importantes, comocampos eltricos, cargas eltricas, movimentos do ar, precipitao,

comportamento dos relmpagos, etc. Esse entendimento daeletrificao das nuvens depende da anlise de aspectosmacroscpicos e microscpicos e tambm dos desenvolvimentosdinmicos.

IV.1.1 Teorias para a eletrificao das nuvens

Grosso modo, a estrutura eltrica das nuvens cumulonimbus pode sercaracterizada como um dipolo eltrico vertical com o centro de cargapositiva principal na parte superior, acima de um centro de carganegativa. H a proposio de um centro secundrio de cargas

positivas abaixo de centro de cargas negativas. Duas explicaespara a criao e manuteno dessa estrutura eltrica so:

1. A hiptese da precipitao consiste na aquisio de cargas eltricasnegativas por hidrometeoros e seu movimento descendente, devido atuao gravitacional, com respeito s partculas menores (maisleves) positivamente carregadas. Nessa teoria, h dois mecanismosmicroscpicos de carregamento a serem investigados: (a)transferncia de carga por induo eltrica e (b) transferncia decarga por meio de colises entre granizo, saraiva e cristais de gelo.

2. A hiptese da conveco consiste no transporte de cargas eltricase seu acmulo seletivo em regies especficas da nuvem. As cargaseltricas poderiam ser provenientes do movimento convectivo dascargas espaciais do efeito corona (cargas liberadas na superfcie peloefeito das pontas) e/ou das cargas espaciais associadas aos meioscom condutividades eltricas diferentes.

IV.1.2 Outros aspectos da eletrificao das nuvens


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A tcnica de observao pelos radares doppler das Cumulonimbusrevela-se til para a identificao dos movimentos interiores nasnuvens. Busca-se relacionar os lugares de maior refletividade comaspectos da ocorrncia de descargas eltricas (localizao, taxatemporal, etc). De forma auxiliar, observaes in situ contribuempara revelar a natureza, tamanho e quantidade de carga eltrica dasnuvens e das precipitaes. Outra tcnica que permite completar acompreenso da eletrificao das nuvens a investigao doscampos eltricos internos e nas vizinhanas das nuvens eletrificadas.No entanto, essas medies tm mostrado considervel variabilidade.

Em tempo bom, o campo eltrico est orientado verticalmente parabaixo. Com a presena das Cumulonimbus, o campo apresenta umavariao associada a uma conformao multipolar de cargas. Prximo

superfcie, em uma regio delgada ( 100 m), as cargasespaciais, devido ao efeito corona afetam esse valor de campoeltrico. Campos eltricos horizontais transientes observados embaixo das Cumulonimbus tm sido atribudos a cargas positivasdepositadas nas precipitaes pelos relmpagos. Investigaesexperimentais revelam que o centro de carga negativo, na parteinferior da Cumulonimbus (3 a 12 oC), mais definido e dispe-seem uma distribuio mais horizontal. J a carga positiva acima estmais difusa e estendida em altura. Evidncias indicam a existncia deuma camada de blindagem, isto , cargas espaciais acumuladas, nasfronteiras da nuvem decorrente da mudana de condutividade domeio fsico.

As emisses em rdio-freqncia associadas com a ruptura dieltrica

e do processo de descarga eltrica na Cumulonimbus so observadasem uma parte ampla do espectro de radiao, de vrios kHz a maisque 10GHz. Os mecanismos propostos como produtores dessasemisses so:

1. acelerao das cargas na ponta dos canais em desenvolvimento;

2. tortuosidades de pequenas escalas do canal do relmpago;

3. ramificaes de pequena escala no desenvolvimento das estruturasdo canal tanto dentro quanto fora da Cumulonimbus;

4. interaes eltricas entre as partculas precipitantes.

Um dos interesses para a deteo dessas emisses que elaspermitem identificar as regies fontes e investigar as estruturaseltricas e a propagao das descargas eltricas associadas scumulonimbus.


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Os troves que acompanham os relmpagos em uma nuvemcumulonimbus resultam da rpida expanso do ar aquecido napassagem da corrente eltrica. O som caracterstico e variado dessestroves decorre da posio das partes do canal que o produzem,relativas ao observador; de caractersticas termodinmicas daatmosfera; e de obstculos sua propagao. Para se estimar adistncia (em quilmetros) de um relmpago, uma regra prtica oobservador em questo dividir o tempo decorrido entre o brilhopercebido e o som ouvido por trs (o tempo deve ser tomado emsegundos). Em reas abertas, esse procedimento pode auxili-lo a teruma percepo mnima do perigo a que pode estar exposto.

IV.1.3 Eletrificao de nuvens em outros planetas

Evidncias de relmpagos tm sido identificadas na atmosfera tantode Vnus quanto de Jpiter. Essas constataes se do por meio domonitoramento de luminosidades transientes; de emisses

eletromagnticas; e da presena de ondas que afetam ocomportamento de partculas eltricas ao longo de linhas de campomagntico planetrio. A possibilidade de dispor de informaes dascondies ambientais planetrias e, assim, comparar as informaesdas descargas eltricas planetrias com os parmetros terrestres muito instigante para o conhecimento das estruturas de nuvem e dassuas eletrificaes. Nos prximos anos, essas informaes planetriasdevero ser coletadas mais abundantemente. Pode-se antecipar queuma aplicao prtica ser testar os modelos fsicos criados paraestudar as tempestades severas na Terra.

A fsica dos relmpagos

Com a possibilidade de deteco dos relmpagos em bases contnuas,de forma mais eficiente, e geograficamente abrangentes, o fenmenorelmpago comea a ganhar nfase principalmente como umelemento traador atmosfrico, pois relaciona-se a caractersticasmeteorolgicas (por exemplo: profundidade da nuvenscumulonimbus) e a propriedades eletrodinmicas da atmosfera (porexemplo: condutividade eltrica). Vrias reas de pesquisa (como aFsica, as Cincias Espaciais, a Metereologia, a Engenharia Aplicada,etc.) tm desenvolvido novos planos de investigao, pois essefenmeno, que se acreditava algo bem conhecido, tem reveladoaspectos inusitados (ver a Seco V). Aumentaram, assim, asmotivaes para pesquisas de deteco conjuntas com radares,satlites, monitoramento observacional de superfcie , etc. Apossibilidade de uso inclui anlises da evoluo das tempestades,severidade, o desenvolvimento de modelagens, etc.


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Os relmpagos tm uma grande importncia na natureza e noambiente humano, fomentando pesquisas sobre o circuito eltricoatmosfrico global e, particularmente, sobre as atividades eltricasdas nuvens cumulonimbus. nfase maior dada investigao dosmecanismos eltricos e dos processos eletrodinmicos relacionadosaos relmpagos devido ao propsito de aplicaes tecnolgicas e desegurana, pois essas descargas transportam grande quantidade deenergia e causam efeitos eletromagnticos, destruies e mo rtes.Pela sua localizao geogrfica e extenso territorial, o Brasilapresenta grande ocorrncia de relmpagos, propiciando condiesde um imenso laboratrio natural.

IV.2.1 Aspecto histrico

A mais antiga referncia cientfica identificando a existncia de umaeletricidade atmosfrica e sua relao com os relmpagos parece serde 1708. Aps isso, esse interesse comeou a se especializar.

Muitos pensam que foi o filsofo e cientista norte-americanoBenjamin Franklin a primeira pessoa a realizar um experimento emque se observasse fagulhas devidas eletricidade associada snuvens. Ele foi precedido pelo pesquisador francs D'Alibard (1752).Um ms depois, em vez de usar uma haste metlica com um fioaterrado como no experimento francs, Benjamin Franklin obtevesucesso empinando um papagaio. Isso permitiu estabelecercientificamente a presena de eletricidade nas nuvens detempestade. Franklin sugeriu o uso de condutores para a prevenoda descarga eltrica. Em prosseguimento a esses estudos, de forma

independente, os pesquisadores Lemonnier e De Romasdemonstraram a presena de um campo eltrico mesmo em tempobom [8].

Esses resultados evidenciaram a eletricidade associada a nuvenscumulonimbus, a possibilidade de se construir um caminho condutorpara escoamento da descarga eltrica e a existncia de um regime decampo eltrico na atmosfera. Isso criou toda uma rea nova deestudos nas geocincias, pois, alm da curiosidade cientfica, essa serevelava um assunto preocupante pelos efeitos danosos dofenmeno.

IV.2.2 O relmpago

De uma forma geral, os relmpagos consistem de uma descargaeltrica transiente de elevada corrente eltrica atravs da atmosfera.Em geral, essas descargas so conseqncias das cargas eltricasacumuladas ( } 10100 C) nas cumulonimbus e ocorrem quando ocampo eltrico excede localmente o isolamento dieltrico do ar ( >400 kV/m).


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Os relmpagos podem ser classificados quanto (a) origem econfigurao, (b) multiplicidade (nmero de descargas que oconstitui), e (c) sua polaridade (carga eltrica associada).

Quanto forma de ocorrncia e configurao (a), os relmpagosclassificam-se em relmpagos nuvem-solo, solo-nuvem, entre-

nuvens, intranuvens, horizontais (ao projetarem-se e terminaremcomo que no espao vazio lateral nuvem), e para a estratosfera(Fig. 9).

Embora no sejam os mais abundantes, os relmpagos nuvem-soloeram anteriormente os que mereciam maior ateno nas pesquisas,devido aos prejuzos materiais que causavam ou aos riscos vida queinfligiam. No entanto, devido aos avanos tecnolgicos que tornaram,por exemplo, as aeronveis mais suscetveis influncia eltrica oueletromagntica, todas as formas de manifestao comeam areceber igual ateno. As outras formas no so to bem conhecidasquanto as nuvem-solo.

Quanto multiplicidade (b), os relmpagos nuvem-solo soformados, em geral, de uma nica descarga eltrica(denominada descarga de retorno); porm podem apresentar-se

constitudos de mltiplas descargas consecutivas. Tais descargasperduram por } 10-200 microssegundos e apresentam-se separadasno tempo por um intervalo aproximado de 3 a 500 mil issegundos,cujo valor tpico em torno de 40 milissegundos.

Quanto polaridade, um relmpago que se inicia em uma regio decargas negativas definido como um relmpago de polaridadenegativa; se em carga positiva, um relmpago positivo; e se


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apresenta descargas mltiplas com ambas polaridades, umrelmpago bipolar. O processo fsico associado manifestao depolaridade mais sutil do que se pode perceber inicialmente, devido ignorncia de detalhes fsicos do transporte de cargas, traduzidavagamente nas expresses "transporte de cargas efetivo", "reduode cargas efetiva", "neutralizao de cargas efetiva" ou "transportede cargas efetivo".

IV.2.3 Anlise de um relmpago nuvem-solo negativo

De uma forma geral, parece ocorrer uma ruptura dieltricapreliminarna parte baixa da nuvem; segue-se o desenvolvimento deum lder escalonado (descarga que precede e cria o canal dorelmpago); prximo ao solo ascende uma descarga conectante, quecompleta o canal; e resulta ento uma descarga de retorno, deneutralizao das cargas. Em geral, quando ocorrem descargassubsequentes, as descargas de retorno so iniciadas por um lder

contnuo e poucas vezes com ramificao. Algumas vezes, umacorrente contnua sustenta-se pelo canal ionizado. O aumento daluminosidade do canal acompanhado por uma rpida variao docampo eltrico, que s vezes acontece, denominado componente M.O denominadoprocesso K geralmente interpretado, emboraexistam controvrsias, como uma pequena descarga de retorno queocorre quando a descarga propagante, dentro da nuvem, encontraum bolso de cargas de sinal oposto. O processo Jseria uma lentadescarga propagante que iniciou o processo K.

A fsica da ruptura dieltrica preliminar ainda no entendida, se

que h um nico e bem identificado evento.

O lder escalonado move-se a passos sucessivos de 10 a 200 m decomprimento, com um valor tpico de 50 m. Existem pausas entre ospassos de aproximadamente 50 microssegundos, variando de 30 a120 microssegundos. A velocidade do lder varia de 105a 3106 m/s,com um valor tpico de 3 105 m/s. Podem ocorrer 100 ou maispassos e o lder dispende em torno de 10 milissegundos para alcanaro solo partindo da base da nuvem. A carga do lder est contida emum canal com o dimetro de 1 a 10 m e apresentando umadensidade de carga distribuda quase uniformemente, valor em torno

de 103

C/m. A densidade de carga dos lderes escalonados altamente varivel e estimada no intervalo de 105 a 2 103 C/m.Durante o processo, de uns poucos coulombs a dezenas de coulombsde carga negativa so distribudos ao longo do canal, que soneutralizados pela descarga de retorno.

A descarga conectante surge quando o lder escalonado aproxima -sede algum objeto condutor, tal como uma rvore, um monte de terra,a torre de uma linha de transmisso, etc., pois o campo eltrico


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produzido pela carga no lder pode ser intensificado pelo objeto e darorigem a uma descarga a partir do objeto. Nesse instante o circuitoeltrico formado e uma descarga de retorno tem origem,"escoando" ou "neutralizando" a carga eltrica associada ao canal.

IV.2.3 Consideraes sobre a nomenclatura

Em geral, o domnio de um tpico de pesquisa est associado a umanomenclatura clara, consistente e completa. A falta dessanomenclatura no vernculo ou traduz uma fenomenologia nova oulacunas nas investigaes de uma comunidade cientfica. Comodesignaes bsicas no Brasil, relacionam-se:

Relmpago:designao do processo de descargas atmosfricascompleto.

Raio:designao coloquial para o caminho luminoso da descarga

atmosfrica, s vezes utilizada, mais formalmente, para designaruma descarga para o solo.

Trovo:designao do efeito sonoro da descarga eltrica atmosfrica,devida expanso abrupta do ar aquecido pela decarga.

No entanto, h uma nomenclatura mais extensa na literaturainternacional, em geral de carter analgico, para as manifestaesdos relmpagos e muitas ainda sem equivalentes no vernculo. Isso conseqncia da falta ou da pouca observao visual do fenme no noBrasil e de uma documentao sistematizada. Apresentam-se, a

seguir, alguns termos usados:

Descarga area:uma descarga que no se conecta ao solo.

Sheetlightning:relmpago que visualmente se mostra laminar.

Heatlightning:relmpago que no visto ou ouvido devido distncia da cumulonimbus e seria uma ocorrncia comum durante overo.

Rocketlightning: uma longa descarga area que lembra o trajeto deum foguete no cu.

Spiderlightning:um relmpago areo longo apresentando mltiplasramificaes (relmpago aranha). Presente freqentemente sobnuvens estratiformes tais como as que acompanham sistemasconvectivos de mesoescala.

Forkedlightning: relmpago nuvem-solo que se abre emramificaes que se conectam ao solo.


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Ribbonlightning: relmpagos de mltiplas descargas em que elasocorrem em posies levemente alteradas devido ao vento.

Beadlightning: relmpago que se mostra com alternncia ao longodo canal de regies claras e escuras, como se fossem contas em umcolar.

Ball lightning: relmpago-bola o relmpago de formaaproximadamente esfrica que desloca pela atmosfera,aparentemente desconectado de uma fonte de carga. No huma prova visual inequvoca da sua ocorrncia, embora sejam muitosos relatos. As explicaes fsicas ainda esto sen do discutidas.

Quanto categoria dos relmpagos em conexo com o solo, elespodem ser classificados como:

Relmpagos naturais:relmpagos que ocorrem sem envolver

nenhuma estrutura ou interveno humana.

Relmpagos artificialmente induzidos:relmpagos que ocorremdevido a estruturas construdas ou por interveno humana, como,por exemplo, relmpagos associados a estruturas artificiais muitoaltas, a aeroplanos e a foguetes.

V Assuntos de pesquisa da eletrodinmica atmosfrica

O campo de pesquisa sobre as descargas eltricas atmosfricas tem-se demonstrado muito rico de abordagens e promissor em termos deaplicaes [9-13,7]. O ensino dessa rea de cincia no Brasil precisaser menos equivocado no entendimento dos fenmenos (como, porexemplo, em livros escolares, a afirmao incorreta de que osrelmpagos surgem da coliso de nuvens), mais apto na apropriaodos temas e mais pronto nos desenvolvimentos. Para isso, algunstpicos de pesquisas recentes sero relacionados, com o fim demotivarem pesquisas inovadoras e essas serem de auxlio aodesenvolvimento de domnio tcnico-cientfico.

V.1 Modelos para a eletrodinmica atmosfrica

Nos ltimos 30 anos, inmeros modelos tm sido desenvolvidos paraentendimento do comportamento eletrodinmico atmosfricoconcernente ao CEAG. Entre esses modelos, alguns lidam comsituaes especficas e buscam analisar a distribuio de cargas, oscampos eltricos e os relmpagos.

V.1.1 Elementos bsicos da simulao de relmpagos


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Em geral, para a obteno de um modelo para a trajetria ecomportamento do relmpago, assume-se que o LderEscalonado progride na direo do campo eltrico (J, que ogradiente do potencial eltrico) existente na frente desse lder. Deacordo com o grau de complicao e realismo da simulao numrica,fazem-se aproximaes no formalismo adotado. Considerando-se queos campos magnticos gerados possam ser desconsiderados, que acondutividade eltrica da atmosfera W uma grandeza escalar e quecresce exponencialmente com a altura, que a cor rente eltricaobedece lei de Ohm simplificada, e tendo a ionosfera e o solo comocondies de fronteiras, tem-se a seguinte equao para o potencialescalar:

em que

Tctempo caracterstico do processo;

0permissividade eltrica do espao livre;

tempo de relaxao eltrico do ar;

Kconstante que representa escala de altura da condutividadeeltrica;

Jsdensidade superficial de corrente das cargas fontes.

Esse potencial permitir determinar o campo eltrico = J.

Os relmpagos acontecem em um tempo caracterstico cmuitopequeno ( < 1 s); assim, em uma simplificao, s o primeiro termodo lado esquerdo da Equao 21 precisa ser considerado. A equaoresultante a soluo coulombiana. A esta soluo adiciona -se asoluo da Equao 21 antes da ocorrncia da descarga eltrica,como uma condio inicial, que corresponde ao processo deseparao de cargas na nuvem. Esta condio inicial obtida

considerando-se apenas o segundo termo do lado esquerdo daEquao 21. Esta soluo combinada permite estabelecer uma anliseeletrodinmica da atmosfera e, em particular, simular a trajetria dorelmpago.

V.1.2 Modelos eletrodinmicos

Os difentes modelos para a eletrodinmica atmosfrica soapresentados a seguir.


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O trabalho desenvolvido por Anderson andFreier, em 1969,estabeleceu o formalismo terico (como na Seco V.1.1) necessriopara estudar a trajetria do relmpago na atmosfera. Considerando-se as rpidas alteraes associadas ao relmpago comparadas com asituao quase estacionria da atmosfera, nesse trabalho obtiveram-se as distribuies de potencial para um dipolo vertical com umaatmosfera com condutividade constante com a altura e com umacondutividade que aumentava exponencialmente com a altura.Tambm se analisaram as mudanas de potencial eltrico durante aascenso das cargas positivas da parte baixa da atmosfera, queeventualmente neutralizam as cargas do centro positivo menor nabase da nuvem. Com esse modelo obteve-se um mecanismoconvectivo que explicava o carregamento regenerativo dacumulonimbus.

Takagi e colegas, em 1986, consideraram uma configurao vertical einclinada para o dipolo eltrico das cumulonimbus. Eles calcularam a

proporo de descargas positivas com relao ao total delas. Nessemodelo, considerou-se que o lder escalonado inicia-se em um cilindroinfinito de cargas e progride na direo do gradiente na ponta dadescarga, em uma atmosfera de condutividade eltrica constante.Conseguiu-se, assim, um mecanismo que explicava as altaspercentagens de relmpagos em latitudes mdias do HemisfrioNorte.

Dellera e Garbagnati, em 1982, consideraram o relmpago aaproximadamente 1km acima do ponto de incidncia no solo.Analisaram-se a propagao dos canais inicialmente verticais de

relmpagos negativos e o incio e a propagao de canaisascendentes positivos (descargas conectantes) a partir de estruturaselevadas no solo. Usaramu-se um anel unipolar de cargas paramodelo da nuvem, segmentos lineares de cargas para os canaisdescendentes e ascendentes, e cargas pontuais ou l ineares para asestruturas aterradas. Esse foi um estudo voltado s aplicaes deengenharia eltrica.

Kawasaki e colegas, em 1989, aplicaram uma anlise fractal eimplementaram o modelo de Dellera e Garbagnati, considerando umacerta tortuosidade e ramificao como caractersticas representativas

do canal do relmpago. Esses trabalhos permitiram avaliar aexposio de estruturas localizadas em regies planas e em condiesorogrficas mais complicadas.

Takeuti e colegas, em 1993, apresentaram uma abordagem empricadiferente para calcular o caminho do relmpago na atmosfera. No seconsiderou a natureza eltrica do fenmeno; porm uma naturezaestatstica. Desenvolveu-se um tratamento estatstico em que ocaminho do relmpago, abaixo da nuvem at o solo, modelado com


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base na anlise de fotografias. Esse trabalho analisou a eficincia deblindagens por estruturas elevadas, como torres metlicas.

Mendes e colegas, em 1996, desenvolveram um modelo similar aomodelo de Takagi; porm considerando condies mais realistas.Utilizaram-se esferas finitas de carga para modelo da nuvem e uma

condutividade eltrica exponencialmente crescente com a altura naatmosfera. Esse trabalho mostrou que essa condutividade, de acordocom os modelos padronizados de atmosfera, tambm controla aocorrncia de relmpagos positivos para o solo. H um aumento depercentagem mesmo para dipolos verticais. Esses resultadosnumricos esto em concordncia com os valores experimentaisobtidos no Brasil. Assim, esse trabalho estende os resul tados domodelo de Takagi e colegas (inclui o Hemisfrio Sul) e explica ocomportamento das descargas para latitudes mais baixas.A Fig.10apresenta um esquema da simulao do lder escalonado.

Tais modelos, considerando-se suas bases tericas e experimentais elevando-se em conta suas caractersticas distintas, apontam para aconvenincia e a viabilidade de se buscar modelos eletrodinmicoscada vez mais realistas. Alm de permitir uma melhor compreensocientfica do fenmeno, os modelos podero ser de grande utilidadeprtica em termos de engenharia e de segurana.

V.2 O acoplamento eletrodinmico da atmosfera

A comunidade cientfica foi surpreendida, por meio de evidnciasirrefutveis, com o acoplamento ativo da troposfera com a mdia ealta atmosferas. Embora desde 1886 existissem testemunhos,relatados em revistas de meteorologias, de fenmenos que ocorriamde forma estranha nas tempestades eltricas, somente em 1989 umgolpe de sorte durante o teste de uma cmera sensvel a baixa


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luminosidade, que iria voar em um foguete, colocou em discusso obalano real de energia entre as regies da atmosfera.

Cientistas da Universidade de Minnesota, USA, liderados peloGeofsico Espacial Dr. John R. Winckler, documentaram um estranhobrilho ocorrendo acima de cumulonimbus. Era o incio de uma

pesquisa sobre um fenmeno que no parecia ser um merorelmpago, mas que estava associado s tempestades eltricas .

Atualmente, um variado conjunto de fenmenos luminosostransientes associados a relmpagos, ou, no mnimo, s tempestadeseltricas, foi identificado. At o momento, esses eventos estoclassificados em: sprites,jatos azuis , elves, halos desprites, trolls esurtos de raios gama. A Fig. 11 apresenta, de formaesquemtica, exemplos dos eventos luminosos associados stempestades eltricas.

V.2.1 Os eventos luminosos transientes

Sprites:Os Sprites ou redsprites so fenmenos luminosos que

podem se estender de 95 km at menos que 30 km de altitude.Anlises indicam que eles iniciam usualmente entre 70 e 75 km,desenvolvendo, em ambas as direes, velocidade de } 107 m/s. Elesperduram por dezenas de milissegundos; embora os elementosmais brilhantes durem apenas poucos milissegundos.Os sprites quase sempre seguem relmpagos nuvem-solo depolaridade positiva, dentro de uma defasagem temporal demenos que 1s a mais que 100 ms. Esse fenmeno tem ocorridotipicamente associado com amplas tempestades eltricas,


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especialmente naquelas que apresentam uma substancial regiode precipitao estratiforme.

Elves: Os elves so percebidos como estruturas quase-toroidais emexpanso. Documentou-se o seu alargamento horizontal e tambmuma expanso para baixo. um fenmeno relativamente

brilhante (1000 kR) e de durao menor do que 500 ms. Eles seguempor aproximadamente 300 ms com respeito a relmpagos

nuvem-solo intensos (corrente eltrica > 100 kA), a maioria compolaridade positiva. A teoria proposta para seu mecanismo que ospulsos eletromagnticos dos relmpagos induzem um brilhotransiente na ionosfera entre as altitudes de 80 e 100 km.

Halo de sprites: Os halos de sprites parecem ser um brilho difuso naforma de disco que precedem os sprites, duram em torno de ummilissegundo e lembram superficialmente os elves. Apresentamestruturas usualmente menores do que 100 km e propagam-se para

baixo de } 85 a }70 km. Os elementos do sprite parecememergir da poro inferior do disco cncavo dos halos.

Jatos azuis: Osjatos azuis so jatos de luz que emergem do topo detempestades eletricamente ativas. Propagam para cima comvelocidades de } 100 km/s, atingindo altitudes terminais de } 40km. Seu brilho estimado da ordem de 1000 kR. Esses jatos noparecem associar-se a relmpagos nuvem-solo especficos; noentanto, a atividade eltrica parece cessar por alguns segundos apsa ocorrncia de umjato azul. Examina-se a associao comtempestades que produzem granizo.

Trolls: Os trolls lembram superficialmente os jatos azuis, emboraclaramente dominados por uma emisso avermelhada. Eles parecemocorrer aps um sprite intenso cujas ramificaes estenderam -separa baixo at o topo das nuvens. Os trolls exibem uma luminosa"cabea" frente de uma "cauda" de luminosa fraca e movem-separa cima inicialmente a } 150 km/s, desacelerando-segradualmente, e desaparecendo em torno de 50 km.

Surtos de Raios Gama: Surtos de Raios gama tm sido observadosno solo durante tempestades eltricas. Tm sido percebidos 2 tipos

de eventos. Um deles mostra um lento aumento de radiao,com ftons de energias at 3 MeV, e dura por uma hora ou maisantes de decair lentamente. A causa sugerida so os aerossisradiativos nas partculas precipitantes na chuva. Superposto a essaradiao gradual h um surto impulsivo de ftons de mais altaenergia (at 10 MeV), que perdura por uns poucos minutos.Sugere-se que esses raios gama so provenientes de radiao defrenagem de eltrons de maior energia colidindo com os tomosda atmosfera. O mecanismo seria a acelerao de eltrons pelos


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fortes campos eltricos estabelecidos durante as tempestadeseltricas.

As investigaes experimentais tm mostrado que esses fenmenosparecem associados com vrias espcies de tempestades eltricas,produzidas em grandes Sistemas Convectivos de Mesoescala nas

mdias latitudes, linhas de instabilidades associadas a tornados,conveces tropicais profundas, ciclones, e "wintersnowsqualls".

campo magnetico terrstre

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