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Estrutura Elétrica das
tempestades
e
Teorias de Carregamento
P 1800: cargas negativas dominam
P 1916-30: especulações sobre dipólo
elétrico (Simpson e Wilson)
1752, Franklin
Tempestades negativas
Wilson: “a chuva carrega as cargas negativas e deixa as cargas positivas na nuvem”.
Medidas dentro da nuvem indicam dipolo positivo.
Simpson: “Medidas na Índia, a chuva esta predominantemente carregada positivamente,
A quebra das gotas de chuva cria o dipolo negativo (negativo sobre o positivo)
P 1940: Observações com balões
indicam tripólos
E
.
Podemos aplicar a Lei de Gauss
^
kEEz
dz
dEz
Assumimos somente
Componente verticalAssumimos somente
Componente vertical
Logo a variação vertical
do campo indica a densidade
de carga.
dE/dz > 0 Q > 0
dE/dz < 0 Q < 0.
P 1980: Centro negativo na mesma região
de temperatura
Krehbiel, Paul R., "The Electrical Structure of Thunderstorms," Ch. 8 in The Earth's Electrical
Environment, National Academy Press, Washington, 1986
Hoje: Tripólo é exceção e não a regra!
+ -
Características típicas da estrutura de cargas em tempestades:
1 – As cargas negativas usualmente se concentram na parte inferior das
tempestades.
Tipicamente em T > -25oC e às vezes T > -10oC.
2 – As cargas positivas estão situadas tipicamente acima da região de
carga negativa. Observações também indicam uma concentração na
região superior das tempestades e na bigorna
3 – Diferentes polaridades de carga podem existir ao longo de uma
região.
4 – Perfis verticais de Ez indicam mais do que 3 regiões de cargas
(modelo tripólo).
5 – Camadas de blindagem geralmente existem nas bordas das nuvens,
em especial no topo das nuvens.
6 – A maioria dos íons pequenos introduzidos pela base das
tempestades são produzidos por pontos de descarga tais como:
arvores, grama, antenas e etc.
7 – Em geral a chuva transporta cargas positivas para baixo da nuvem.
As cargas da chuva que estão próximas da superfície são afetadas
significativamente pelos íons produzidos pelos pontos de descarga.
Teorias de carregamento devem
explicar características básicas das
tempestades:
1) Duração elétrica média de ~30 min para uma
única célula convectiva;
2) Separação de cargas de vários milhões de
Volts;
3) Carga deve estar concentrada entre -5 e -40oC
com um raio de ~2km;
4) Ter estrutura tripolar, com a carga negativa
centrada entre os níveis de -10 e -20oC;
5) Geração de cargas está associada ao
processo de formação da precipitação;
6) Ter carga suficiente para levar a ocorrência
de uma descarga elétrica em ~20 minutos após
o aparecimento de partículas da ordem de
alguns milímetros.
Teorias de eletrificação se dividem
em duas grandes categorias:
i) Hipótese de carregamento por
convecção;
ii) Processos de precipitação.
TEORIA DA CONVECÇÃO
Grenet (1947), Vonnegut (1955, 1963), e Telford (1981)
P Não explica camada negativa em região persistente
de temperatura!
O Modelo de Convecção (direita) propõe que as correntes ascendentes
de ar quente, carregadas positivamente (liberadas pela superfície da terra),
transportem cargas positivas até o topo da nuvem. Estas cargas positivas
por sua vez atraem as cargas negativas produzidas pelos raios cósmicos, logo
formando uma cama de blindagem. Posteriormente as correntes descendentes
transportam as cargas negativas para baixo.
TEORIA DA PRECIPITAÇÃO
É baseada nos processos de formação da precipitação:
colisões entre as partículas!! (Julius Elster e Hans F. Geitel em 1885)
Requerimentos:
P Presença de um Campo Elétrico;
P Colisões devem ser repelidas (não podem grudar);
P Cargas devem ser segregadas de acordo com seus
tamanhos ou temperaturas (para formar tripólo);
P Transferência de cargas durante a colisão deve ser
rápida;
P Deve ser rápido o suficiente para gerar campo
elétrico alto e raio em ~20 min.
Dipolo
Modelo de precipitação (esquerda) sugere que a gravidade induz o
movimento descendente das gotas de chuva que são mais pesadas (granizo, e
particulas de gelo como graupel), logo elas colidem com as partículas menores
de água e de gelo que estão suspensas e assim estabelecem a transferência de
cargas positivas para as partículas menores e negativas para as mais pesadas.
Propriedades elétricas da água
A água é uma molécula polar e tem um momento de
dipolo permanente ( p = 6.18 x 10-30 cm),
A distribuição de elétrons na molécula implica em:
Q+ nos núcleos de H e Q- no de O2.
A geometria molecular é angular e não linear. Se fosse
linear, P = 0
O vértice do O2 sempre fica para fora
https://www.ebah.com.br/user/AAAAAGmugAI/natalia-fonseca-medeiros
Sob a ação de um Campo Elétrico, as moléculas se alinham e formam um dielétrico.
Isto implica em uma redução do Campo Elétrico interno do hidrometeoro e um aumento fora dele.
Dielétricos Condutores
• Logo com a ação de um campo elétrico temos:
Em dielétricos: as cargas polarizadas se aglutinam
Em condutores: induz uma distribuição de carga na superfície
+ + + + + +
- - - - - - - - -
Como a molécula de H2O tem um momento de dipolo
permanente, um campo elétrico externo induz um alinhamento
das moléculas, apesar das agitações térmicas inibirem um
perfeito alinhamento.
Na gota de água, o alinhamento parcial causa um excesso de Q-
na superfície de um lado e um excesso de Q+ no lado oposto da
superfície ao longo da direção do campo elétrico.
Quando o alinhamento ocorre, a molécula é dita como
polarizada.
Assim, no caso da água, temos um dielétrico polar.
O efeito de polarização é o de reduzir o campo elétrico dentro do
hidrometeoro e aumentar fora dele.
Dessa maneira, a densidade de carga q induzida na superfície de
um condutor esférico sob a ação de um campo elétrico constante
poder ser expressa como:
Onde E,r é o ângulo formado pelo vetor do campo elétrico a partir
da superfície aonde se quer calcular e é a constante dielétrica.
rEqE
,cos3
++ + + ++
++
+-- - --- - -
-
E
E,R
Para um dielétrico temos
Mas como dielétrico da água é alta (x 80), gotas de água são comumente tratadas como
condutores quando se considera a indução de cargas através da presença de uma força
elétrica.
Logo
Se integrarmos a densidade de carga sobre um hemisfério, temos
Logo
rE
diel
diel
qE
,cos
2
13
qcondutoroqdieletric
rdrddAreaqqq
23 rEq
Mecanismos de carregamento de cargas:
Os mecanismos de carregamento podem ocorrer na
presença ou não de um Campo Elétrico para polarizar
os hidrometeoros.
Indutivo: requer a presença de um campo elétrico
Não-Indutivo: não requer a presença de um campo
elétrico
a) Mecanismo Indutivo: Sob a ação de um Campo Elétrico
os hidrometeoros se polarizam.
Um hidrometeoro não carregado inicialmente, quando sob a
ação de um campo elétrico pode induzir cargas de
polaridade oposta na superfície do hidrometeoro, logo o
hidrometeoro torna-se polarizado.
++ + + ++
++
+-- - --- - -
-
E
E,R
b) Mecanismo Não Indutivo:
não precisa de um Campo Elétrico;
c) Mecanismo de Captura de Íons:
Íons gasosos são capturados por hidrometeoros;
Este processo pode distribuir sistematicamente as
cargas de uma polaridade em diferentes regiões de uma
tempestade. Logo, as regiões afetadas podem ter uma
carga resultante sem a necessidade de ter movimentos
adicionais do hidrometeoro.
d) Mecanismo Indutivo de partícula-partícula: Interação a
partir da colisão de partículas/hidrometeoros ou a quebra
do hidrometeoro (por exemplo: fragmento dos cristais de
gelo)
Uma vez que cargas iguais e opostas estão dispostas nos
hidrometeoros, a medida que as partículas colidem e se separam,
as regiões irão permanecer eletricamente neutras até que os
hidrometeoros carregados negativamente comecem a se mover
dos que estão carregados positivamente. Para que este
mecanismo se torne importante as forças de gravidade e empuxo
devem ser significativas.
Para que isso ocorra, os hidrometeoros tem que ter diferentes
velocidades terminais de queda (se aproximando da teoria de
precipitação), ou seja, uma concentração de tamanho de
gotas/cristais de gelo
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