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Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 1
AULA 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
ACA0330 – Introdução à Eletricidade Atmosférica
Revisão de Física de Nuvens
Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades
Teorias de carregamento
Teoria da Convecção
Teoria da Precipitação
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
Receita para a formação de Tempestades
Ingredientes:
• Qual o ingrediente #1?
• Qual o ingrediente #2? .
REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
Receita para a formação de Tempestades
Ingredientes:
• Vapor d’água
• Núcleos de Condensação de Nuvem (e.g., aerossóis)
REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
Receita para a formação de Tempestades
Ingredientes:
• Vapor d’água
• Núcleos de Condensação de Nuvem (e.g., aerossóis)
Instrumentos:
• Um mecanismo de levantamento de parcelas de ar: Quais?
REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS
??? ??? ??? ???
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
Receita para a formação de Tempestades
Ingredientes:
• Vapor d’água
• Núcleos de Condensação de Nuvem (e.g., aerossóis)
Instrumentos:
• Um mecanismo de levantamento de parcelas de ar:
REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
Fazer as
Nuvens (condensação do
vapor d’água)
Modo de preparar:
30oC
20oC
Exp
and
e e
res
fria
10oC UR ≥ 100%
Receita para a formação de Tempestades
REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
1,5 km T = 10oC
Fazer partículas
de gelo (gotículas, gotas, granizo,
cristais de gelo)
Fazer as
Nuvens (condensação do
vapor d’água)
Modo de preparar:
Receita para a formação de Tempestades
REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS
• Como as gotículas crescem inicialmente?
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
T = 0oC 4,5 km
1,5 km T = 10oC
Fazer partículas
de gelo (gotículas, gotas, granizo,
cristais de gelo)
Fazer as
Nuvens (condensação do
vapor d’água)
Modo de preparar:
Receita para a formação de Tempestades
REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS
• Como as gotículas crescem até tamanhos grandes de gotas de chuva?
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
T = 0oC 4,5 km
1,5 km T = 10oC
T = -40oC 15 km
T = -60oC 20 km
Fazer as
Nuvens (condensação do
vapor d’água)
Fazer partículas
de gelo -
-
Modo de preparar:
Receita para a formação de Tempestades
REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS
• Quais são as partículas de gelo dentro da nuvem?
• graupel ou granizo • pequenos cristais de gelo • neve
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
T = 0oC 4,5 km
1,5 km T = 10oC
T = -40oC 15 km
T = -60oC 20 km
Fazer as
Nuvens (condensação do
vapor d’água)
Fazer partículas
de gelo -
-
Modo de preparar:
Receita para a formação de Tempestades
REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS
• Como é formado o graupel? • Como é formado o granizo?
+ =
+ =
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
T = 0oC 4,5 km
1,5 km T = 10oC
T = -40oC 15 km
T = -60oC 20 km
Fazer as
Nuvens (condensação do
vapor d’água)
Fazer partículas
de gelo - cristais
- graupel e granizo
( ) + ( ) =
Modo de preparar:
Receita para a formação de Tempestades
REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
T = 0oC 4,5 km
1,5 km T = 10oC
T = -40oC 15 km
T = -60oC 20 km
Fazer as
Nuvens (condensação do
vapor d’água)
Fazer partículas
de gelo - cristais
- graupel e granizo
( ) + ( ) =
Modo de preparar:
Corrente ascendente
Receita para a formação de Tempestades
REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
T = 0oC 4,5 km
1,5 km T = 10oC
T = -40oC 15 km
T = -60oC 20 km
Fazer as
Nuvens (condensação do
vapor d’água)
Fazer partículas
de gelo - cristais
- graupel e granizo
( ) + ( ) =
Modo de preparar:
Corrente ascendente
Fazer a
eletrificação (colisões entre
partículas de gelo)
–
+
–
+
Receita para a formação de Tempestades
REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
T = 0oC 4,5 km
1,5 km T = 10oC
T = -40oC 15 km
T = -60oC 20 km
Fazer as
Nuvens (condensação do
vapor d’água)
Fazer partículas
de gelo - cristais
- graupel e granizo
( ) + ( ) =
Modo de preparar:
Corrente ascendente
Fazer a
eletrificação (colisões entre
partículas de gelo)
–
+
Receita para a formação de Tempestades
REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 15
• RESUMO – PROCESSO DE INICIAÇÃO DE CHUVA EM NUVENS MISTAS (QUENTE E FRIAS):
0,1 1 10 100 1000 mm
T=0oC
Ativação de CCN
Crescimento por difusão de vapor
+ ||
Ativação de IN
Crescimento por difusão de vapor
Crescimento por difusão de vapor e colisão-coalescência
Crescimento por difusão de vapor, agregação, acreção e riming. Multiplicação (fragmentação).
REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 16
• Guardem bem na memória o que existe dentro de uma nuvem cumulonimbus:
qu
en
te
f
rio
T = 0oC
T = -40oC
Vapor d’água
T = -60oC
4.5 km
REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS
Corrente ascendente
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 17
AULA 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
ACA0330 – Introdução à Eletricidade Atmosférica
Revisão de Física de Nuvens
Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades
Teorias de carregamento
Teoria da Convecção
Teoria da Precipitação
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 18
Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades
• Observações ao longo dos anos: – 1750-1800: cargas negativas dominam (Franklin, 1752)
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 19
Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades
• Observações ao longo dos anos: – 1750-1800: cargas negativas dominam (Franklin, 1752)
– 1916-1930: especulações sobre dipólo elétrico (C. Wilson 1916, 1921, 1929)
• Medidas de variação do campo elétrico durante descargas elétricas
• Ganhou o Prêmio Nobel pela construção de câmara de nuvem
Williams E.R. (2010): Origin and context of C.T.R. Wilson's ideas on electron runaway in thunderclouds, J. Geophys. Space Phys., doi:10.1029/2009JA014581.
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 20
Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades
• Observações ao longo dos anos: – 1750-1800: cargas negativas dominam (Franklin, 1752)
– 1916-1930: especulações sobre dipólo elétrico (C. Wilson 1916, 1920, 1929)
– 1940-hoje: Observações de tripólos c/ balões
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 21
Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades
• Observações ao longo dos anos: – 1980: Centro negativo na mesma região de temperatura
(entre –10 e – 20oC)
Krehbiel, Paul R. (1986): The Electrical Structure of Thunderstorms. Ch. 8 in The Earth's Electrical Environment, National Academy Press, Washington. (link to Google Books)
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 22
Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades
• Observações ao longo dos anos: – 1980: Centro negativo na mesma região de temperatura
(entre –10 e – 20oC)
–10oC
–20oC
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 23
Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades
• Observações ao longo dos anos: – 1990-hoje: Múltiplos centros de carga que evoluem durante o ciclo de
vida da tempestade
Stolzenburg, M., W.D. Rust, and T.C. Marshall (1998): Electrical Structure in Thunderstorm Convective Regions 3. Synthesis. J. Geophys. Res., 103, 14097-14108. doi:10.1029/97JD03545
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 24
Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades
• Observações ao longo dos anos: – 1990-hoje: Múltiplos centros de carga que evoluem durante o ciclo de
vida da tempestade
Stolzenburg, M., W.D. Rust, and T.C. Marshall (1998): Electrical Structure in Thunderstorm Convective Regions 3. Synthesis. J. Geophys. Res., 103, 14097-14108. doi:10.1029/97JD03545
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 25
Courtesy of Ted Mansel (NOAA/NSSL) and Ken Cummins (Univ. of Arizona) https://youtu.be/iiRKzfU7Mhc
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 26
• Finalmente, as características típicas da estrutura elétrica de cargas em tempestades, são:
1) As cargas negativas usualmente se concentram na parte inferior das tempestades, tipicamente em – 20oC < T < –10oC.
2) As cargas positivas estão situadas tipicamente acima da região de carga negativa. Além disso, evidências experimentais suportam que se concentram também na região superior das tempestades e na bigorna (“anvil”).
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 livres que são transportados para a base das nuvens, são produzidos/induzidos por corona/pontos de descarga tais como as árvores, a grama, as antenas e etc.
7) Em geral a chuva transporta cargas positivas para baixo da nuvem. As cargas de chuva próximas à superfície são afetadas significativamente pelos íons produzidos pelos pontos de descarga.
Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 27
AULA 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES
ACA0330 – Introdução à Eletricidade Atmosférica
Revisão de Física de Nuvens
Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades
Teorias de carregamento
Teoria da Convecção
Teoria da Precipitação
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 28
Teorias de carregamento
• Teorias de carregamento devem explicar as características elétricas das tempestades:
1) Duração elétrica (i.e., atividade de descargas) média de ~30 min para uma única célula convectiva;
2) Separação de cargas de vários milhões de Volts;
3) A carga elétrica 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 haver uma descarga elétrica em ~20 minutos após o aparecimento de partículas da ordem de alguns milímetros.
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 29
• Teorias de eletrificação se dividem em duas grandes categorias:
i. Hipótese de carregamento por convecção;
ii. Processos de precipitação.
Teorias de carregamento
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 30
• Teoria da CONVECÇÃO (Grenet , 1947; Vonnegut, 1953, 1955): – Está intimamente ligada à dinâmica geral do desenvolvimento da
nuvem.
Teorias de carregamento
a) Um campo elétrico normal de tempo bom estabelece uma concentração de íons positivos na baixa troposfera.
Esses íons positivos são transportados para o interior da nuvem através das correntes ascendentes e são capturados pelos hidrometeoros, tornando a nuvem inicialmente carregada positivamente.
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 31
• Teoria da CONVECÇÃO (Grenet , 1947; Vonnegut, 1953, 1955): – Está intimamente ligada à dinâmica geral do desenvolvimento da
nuvem.
Teorias de carregamento
b) Conforme a nuvem cresce, ela penetra em níveis mais altos na troposfera, onde os íons livres tem maior mobilidade (i.e, condutividade do ar é nauir).
Esses íons são produzidos na ionosfera ou acima de 6 km de altura por radiação cósmica.
A nuvem em ascensão e positivamente carregada atrái preferencialmente os íons livres negativos, tornando o topo da nuvem negativamente carregado, também conhecido como camada de blindagem.
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 32
• Teoria da CONVECÇÃO (Grenet , 1947; Vonnegut, 1953, 1955): – Está intimamente ligada à dinâmica geral do desenvolvimento da
nuvem.
Teorias de carregamento
c) Os íons livres negativos da camada de blindagem são entranhados na lateral da nuvem e carregados para níveis mais baixos.
O fluxo de carga positiva continua através da corrente ascendente, o fluxo de íons negativos para o interior da nuvem também continua, até que o campo elétrico na parte mais baixa da nuvem se torna forte o suficiente para induzir íons por efeito de corona no solo, aumentando ainda mais o fluxo de carga positiva para dentro da base da nuvem e gerando um aumento exponencial da polaridade da nuvem.
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 33
• Teoria da CONVECÇÃO (Grenet , 1947; Vonnegut, 1953, 1955): – Porém, há 2 (duas) falhas nessa teoria:
1. o campo elétrico de tempo bom não consegue induzir uma quantidade de íons livres suficientes para intensificar o fluxo de íons positivos para o topo e de íons negativos para a base;
2. e não gera estrutura tripolar.
Teorias de carregamento
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 34
• Teoria da PRECIPITAÇÃO é baseada nos processos de formação da precipitação nas tempestades: – i.e., nas colisões entre os hidrometeoros!!!
– Julius Elster e Hans F. Geitel em 1885 (vide Fricke and Schlegel 2017)
• Para explicar o carregamento elétrico de hidrometoros por colisões entre eles, essa teoria exige: – Presença de um Campo Elétrico (pelo menos o de tempo-bom);
– Colisões devem ser repelidas (i.e, não podem se unir);
– Cargas devem ser segregadas de acordo com seus tamanhos ou temperatura no interior da nuvem (para formar uma estrutura tripolar);
– Transferência de cargas durante a colisão deve ser rápida;
– Todo o processo deve ser rápido o suficiente para gerar campo elétrico alto e raios em ~20 min.
Teorias de carregamento
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 35
• Ou seja, a teoria da precipitação associa a transferência de carga à formação dos hidrometeoros:
qu
en
te
f
rio
T = 0oC
T = -40oC
Vapor d’água
T = -60oC
4.5 km
Corrente ascendente
Teorias de carregamento
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 36
• Onde estão as isotermas de –10oC e –20oC? q
ue
nte
fri
o
T = 0oC
T = -40oC
Vapor d’água
T = -60oC
4.5 km
Corrente ascendente
T = -20oC
T = -10oC
Teorias de carregamento
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 37
• Logo, qual hidrometeoro está associado com a região de –20oC < T < –10oC?
qu
en
te
f
rio
T = 0oC
T = -40oC
Vapor d’água
T = -60oC
4.5 km
Corrente ascendente
T = -20oC
T = -10oC
Teorias de carregamento
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 38
• Então, considerando todas as possíveis colisões entre hidrometeoros:
– líquido colidindo com líquido coalescência (não há separação física)
– líquido colidindo com gelo riming/acresção (não há separação física)
Teorias de carregamento
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 39
• Então, considerando todas as possíveis colisões entre hidrometeoros:
– gelo colidindo com gelo pode haver agregação (neve, não há separação física)
– gelo colidindo com gelo pode haver separação física!
Teorias de carregamento
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 40
• E a diferença de tamanho entre os hidrometeoros sólidos garantem a separação gravitacional das cargas transferidas e pelo menos a formação de um dipólo:
Teorias de carregamento
T = 0oC 4,5 km
1,5 km T = 10oC
T = -40oC 15 km
T = -60oC 20 km
Corrente ascendente
– –10oC
–20oC
– –
– – –
+
+
+ +
+ +
+
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 41
NOVO SITE DA DISCIPLINA: https://sites.google.com/iag.usp.br/aca0330/
(deve estar logado na usa conta @*usp.br da Google)
/ / / /
/ / / /
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 42
REVISÃO DA AULA ANTERIOR
/ / / /
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 43
REVISÃO DA AULA ANTERIOR
• Observações ao longo dos anos: – 1750-1800: cargas negativas dominam (Franklin, 1752)
– 1916-1930: especulações sobre dipólo elétrico (C. Wilson 1916, 1920, 1929)
– 1940-hoje: Observações de tripólos c/ balões
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 44
REVISÃO DA AULA ANTERIOR
• Observações ao longo dos anos: – 1980: Centro negativo na mesma região de temperatura
(entre –10 e – 20oC)
Krehbiel, Paul R. (1986): The Electrical Structure of Thunderstorms. Ch. 8 in The Earth's Electrical Environment, National Academy Press, Washington. (link to Google Books)
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 45
REVISÃO DA AULA ANTERIOR
• Observações ao longo dos anos: – 1990-hoje: Múltiplos centros de carga que evoluem durante o ciclo de
vida da tempestade
Stolzenburg, M., W.D. Rust, and T.C. Marshall (1998): Electrical Structure in Thunderstorm Convective Regions 3. Synthesis. J. Geophys. Res., 103, 14097-14108. doi:10.1029/97JD03545
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 46
REVISÃO DA AULA ANTERIOR
• Teorias de eletrificação se dividem em duas grandes categorias:
i. Hipótese de carregamento por convecção;
ii. Processos de precipitação.
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 47
REVISÃO DA AULA ANTERIOR
• Teoria da CONVECÇÃO (Grenet , 1947; Vonnegut, 1953, 1955): – Porém, há 2 (duas) falhas nessa teoria:
1. o campo elétrico de tempo bom não consegue induzir uma quantidade de íons livres suficientes para intensificar o fluxo de íons positivos para o topo e de íons negativos para a base;
2. e não gera estrutura tripolar.
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 48
REVISÃO DA AULA ANTERIOR
• Teoria da PRECIPITAÇÃO é baseada nos processos de formação da precipitação nas tempestades: – i.e., nas colisões entre os hidrometeoros!!!
– (Julius Elster e Hans F. Geitel em 1885)
• Para explicar o carregamento elétrico de hidrometoros por colisões entre eles, essa teoria exige: – Presença de um Campo Elétrico (pelo menos o de tempo-bom);
– Colisões devem ser repelidas (i.e, não podem se unir);
– Cargas devem ser segregadas de acordo com seus tamanhos ou temperatura no interior da nuvem (para formar uma estrutura tripolar);
– Transferência de cargas durante a colisão deve ser rápida;
– Todo o processo deve ser rápido o suficiente para gerar campo elétrico alto e raios em ~20 min.
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 49
REVISÃO DA AULA ANTERIOR
• Logo, qual hidrometeoro está associado com a região de –20oC < T < –10oC?
qu
en
te
f
rio
T = 0oC
T = -40oC
Vapor d’água
T = -60oC
4.5 km
Corrente ascendente
T = -20oC
T = -10oC
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 50
REVISÃO DA AULA ANTERIOR
• Então, considerando todas as possíveis colisões entre hidrometeoros:
– líquido colidindo com líquido coalescência (não há separação física)
– líquido colidindo com gelo riming/acresção (não há separação física)
– gelo colidindo com gelo pode haver agregação (neve, não há separação física)
– gelo colidindo com gelo pode haver separação física!
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 51
REVISÃO DA AULA ANTERIOR
• E a diferença de tamanho entre os hidrometeoros sólidos garantem a separação gravitacional das cargas transferidas e pelo menos a formação de um dipólo:
T = 0oC 4,5 km
1,5 km T = 10oC
T = -40oC 15 km
T = -60oC 20 km
Corrente ascendente
– –10oC
–20oC
– –
– – –
+
+
+ +
+ +
+
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 52
FIM DA REVISÃO DA AULA ANTERIOR
/ / / /
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 53
• Mas como a transferência de carga elétrica ocorre de uma partícula de gelo para outra partícula de gelo?
• As teorias* mais aceitas atualmente se baseiam na estrutura molecular e propriedades elétricas da água.
– * teorias porque ainda hoje é difícil fazer medições in-situ nas tempestades (ambiente hostil para instrumentação) e todas teorias são baseadas em experimentos de laboratório e experimentos numéricos.
Teorias de carregamento
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 54
• Propriedades elétricas da água:
– Momento de dipólo permanente: • A molécula de água possui um átomo de oxigênio (1 O2 –) e dois
átomos de hidrogênio (2 H+) separados por um ângulo de 104.45o que gera um momento de dipólo permanente de p = 6.18 x 10-30 cm).
• Essa distribuição de elétrons e prótons implica em:
– Um excesso de carga positiva nos núcleos de H+ (Q+) e um excesso de cargas negativas nos núcleos de O2- (Q–)
Teorias de carregamento
104.45o
Q –
Q+
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 55
– Microspociamente, na estrutura molecular do gelo temos:
• Íons de OH– na interface gelo-ar (ou camada quase-líquida)
• Íons de H3O+ voltados para dentro da estrutura
Teorias de carregamento
Nelson, J., e M. Baker (2003): Charging of ice-vapor interfaces: applications to thunderstorms. Atmos. Chem. Phys., 3, 1237-1252. (doi:10.5194/acp-3-1237-2003).
Interface gelo-ar
gelo
Cam
ada
Qu
ase
-Líq
uid
a (C
QL)
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 56
– Macrospociamente, na interface gelo-ar temos: • Uma camada dupla de íons, com os íons OH– expostos na
interface.
Teorias de carregamento
– – – – –
– – – – –
–
– –
– – – – –
– –
–
–
–
– –
– – + + +
+ + + +
+ + + + +
+ +
+ + +
+ + + Camada Quase-Líquida (CQL)
(dimensões exageradas)
gelo
+ –
Camada Dupla
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 57
– A transferência de carga ocorre na CQL durante a colisão entre duas partículas de gelo:
• TEORIA DA PRECIPTIAÇÃO DE CARREGAMENTO NÃO-INDUTIVO (i.e., não há necessidade de ter um campo elétrico prévio)
• Durante a colisão entre um cristal menor com uma partícula de gelo maior (graupel, granizo), a energia cinética da colisão (pressão da ponta do cristal na superfície do graupel) faz com que haja derretimento parcial da CQL e então transferência de massa (com excesso de íons OH–) é feita de uma da partícula para outra.
Teorias de carregamento
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 58
• Por exemplo, considere a colisão entre um graupel e um pequeno cristal de gelo em um ambiente com conteúdo de água líquida MODERADO ( graupel mais quente que o cristal, sublima):
– Antes da colisão o cristal tem um excesso de OH– na superfície.
– Durante a colisão, a ponta do cristal (com excesso de OH –) derrete e ”gruda” no graupel, que…
– … após a colisão, essa massa congela no graupel, deixando o graupel agora com excesso de OH– e o cristal com excesso de H3O+.
Teorias de carregamento
Nelson, J., e M. Baker (2003): Charging of ice-vapor interfaces: applications to thunderstorms. Atmos. Chem. Phys., 3, 1237-1252. (doi:10.5194/acp-3-1237-2003).
excesso de OH– na CQL
A massa do cristal (com excesso de OH–) congela no
graupel
Cristal fica com excesso de
H3O+
CQL derrete (com excesso de OH–)
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 59
• Agora considere a colisão entre um graupel e um pequeno cristal de gelo em um ambiente com POUCO conteúdo de água líquida (graupel tem pontinhas (frost) mais finas e o cristal):
– Durante a colisão, o frost irá derreter e transferir massa para cristal…
– … após a colisão, essa massa congela no ristal, deixando o cristal com excesso de OH– e o graupel com excesso de H3O+.
– O cristal também pode simplesmente quebrar o ”frost” (que tem excesso de OH-), deixando o graupel também com excesso de H3O+.
Teorias de carregamento
Nelson, J., e M. Baker (2003): Charging of ice-vapor interfaces: applications to thunderstorms. Atmos. Chem. Phys., 3, 1237-1252. (doi:10.5194/acp-3-1237-2003).
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 60
• Agora considere a colisão entre um graupel e um pequeno cristal de gelo em um ambiente com MUITO conteúdo de água líquida (tipicamente formando granizo – crescimento molhado):
– Durante a colisão, o graupel já está ”molhado” porque está crescendo por muita acresção ou riming (e tem excesso de OH– na superfície)…
– … após a colisão, a camada molhada do graupel cede massa (com que tem excesso de OH-), e o graupel fica com excesso de H3O+ e o cristal com excesso de OH–.
Teorias de carregamento
Nelson, J., e M. Baker (2003): Charging of ice-vapor interfaces: applications to thunderstorms. Atmos. Chem. Phys., 3, 1237-1252. (doi:10.5194/acp-3-1237-2003).
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 61
• Outra teoria (Baker and Dash, 1994; Dash et al., 2001), é que a partícula que está crescendo mais rápido, tem uma CQL mais espessa e então, após a colisão, cede massa para a partícula com CQL mais fina:
Teorias de carregamento
Dash, J. G., B. L. Mason, J. S. Wettlaufer (2001): Theory of charge and mass transfer in ice-ice collisions. J. Atmos. Res., 106, 20395-20402. (doi:10.1029/2001JD900109).
Sublimação
Deposição,
riming,
acresção
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 62
– Ambas teorias corroboram com os resultados dos experimentos de laboratório:
– Manchester Lab Studies-Cloud Particle Imager
Teorias de carregamento
http://www.cas.manchester.ac.uk/resactivities/cloudphysics/methods/labstudies/manchester/particleimager/
Saunders, C. (2008): Charge Separation Mechanisms in Clouds. Space Sci. Rev., 137, 335–353. (doi:10.1007/s11214-008-9345-0)
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 63
– Ambas teorias corroboram com os resultados dos experimentos de laboratório:
• Sinal da carga elétrica que o graupel ganha depois de colidir com cristais de gelo menores:
Teorias de carregamento
Saunders, C. (2008): Charge Separation Mechanisms in Clouds. Space Sci. Rev., 137, 335–353. (doi:10.1007/s11214-008-9345-0)
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 64
– Ambas teorias corroboram com os resultados dos experimentos de laboratório:
• Takahashi (1978), Jayaratne (1983), Saunders et al. (1991), Avila e Pereyra (2000):
• Resumo Takahashi:
– alto LWC: graupel carrega (+) para todas T;
– médio LWC: graupel carrega (-) para T < -8oC
– baixo LWC: graupel carrega (+) para todas T;
• Resumo Saunders:
– graupel carrega (+) ou (-) para qualquer T, depende do LWC.
Teorias de carregamento
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 65
Williams, E. R., R. Zhang, and J. Rydock, 1991: Mixed-Phase Microphysics and Cloud Electrification. J. Atmos. Sci., 48, 2195–2203, (doi:10.1175/1520-0469(1991)048<2195:MPMACE>2.0.CO;2)
– Ambas teorias corroboram com os resultados dos experimentos de laboratório:
• Williams et al. (1991): – Estado de crescimento relativo por difusão
(Dash et al. 2001) vs resultados de Takahashi:
– alto LWC: crescimento molhado (forte acresção/riming), carrega (+)
– médio LWC: aquece por rimming (sublima), carrega (-) ;
– baixo LWC: deposição de vapor , carrega (+)
Teorias de carregamento
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 66
• Na presença de campo elétrico forte, os íons da partícula de gelo podem se alinhar com o campo elétrico: – TEORIA DA PRECIPTIAÇÃO DE CARREGAMENTO INDUTIVO (i.e., há
necessidade de ter um campo elétrico prévio)
– Essa teoria foi elaborada antes da teoria do carregamento não-indutivo, mas o campo elétrico de tempo-bom não consegue polarizar o gelo.
– Porém, após a nuvem ficar carregada pelo mecanismo não-indutivo e gerar um campo elétrico alto, o carregamento indutivo pode ocorrer:
• Sem Campo elétrico
• Com Campo elétrico
Teorias de carregamento
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 67
• Outro mecanismo de carregamento é a CAPTURA DE ÍONS:
– Basicamente é a teoria da conveção
– Íons livre na atmosfera são trazidos para a atmosfera através de raios cósmicos
– As tempestades também induzem íons livres aumentando o campo elétrico ambiente:
– Efeito de corona ( efeito de pontas)
Teorias de carregamento
IONOSFERA +
-
+
-
+
-
E
+ + +
+ + + + +
+ + + + +
+ + + + + +
+ + +
+ + + + +
+ + +
+ + + + + +
+ + + +
+ - - - - - - - - - - - - -
- - -
- - - - - -
- -
- - - - - - - - - - - - - -
- - -
- - - -
- -
- - - - - -
- - - - - - - - -
+
CAPTURA DE ÍONS
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 69
• Finalmente, o carregamento elétrico das tempestades deve ser uma combinação de:
– Processos não-indutivo: • é o mais importante, sem ele não há campo elétrico forte o
suficiente para gerar descargas
• É explicado pelas propriedades elétricas da água (CQL, camada dupla) e pelo estado de crescimento dos hidrometeoros
– Captura de íons (processo de convecção), importante para a camada de blindagem
– Processos indutivo (considerado o menos importante)
Teorias de carregamento
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 70
Teorias de carregamento
– –
– – – –
+ + + + +
+ +
+ +
+ +
+ +
+
+
+ + + + + ++ + + +
–
+
Carregamento não-indutivo e captura de íons livres positivos + +
+
+ + +
+ +
+
+
+
RESUMINDO:
–
+
-
-
-
-
- - - - - - - -
captura de íons
livres negativos
o Variável que controla a taxa de carga transferida: Corrente
Ascendente!
o Conforme as correntes ascendente se intensificam:
o água líquida é condensada em uma taxa muito maior
o “graupel” é produzido em uma taxa maior
o carga é gerada e advectada em uma taxa maior
o o potencial elétrico entre a nuvem e o solo aumenta
o raios nuvem-solo (CG – “cloud-to-ground” lightning) e intra-nuvem (IC – “intra-cloud”
lightning) são produzidos à uma taxa maior
Mecanismos de eletrificação dos hidrometeoros e
estrutura elétrica das tempestades
– + –
+
– +
– +
– +
– +
– +
+ + +
+ + +
+ + + +
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
+
+ + + +
+ + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
+
- – +
– +
– +
+
0oC
-1
0oC
-4
0oC
- +
o Porém, se a corrente ascendente for muito forte:
o Hidrometeoros carregados são levados para muito longe da superfície:
o a taxa de CGs diminui, e
o a taxa de IC pode ficar extrema (> 1 raio IC por minuto!)
Mecanismos de eletrificação dos hidrometeoros e
estrutura elétrica das tempestades
– + –
+
– +
+ + +
+ + +
+ + + +
+ + +
+ + + +
+ + +
+
+ + + + + + +
- – +
– +
+
+
0oC
-1
0oC
-4
0oC
o Poalridade dos CGs:
o Os CGs podem ter polaridade negativa (–CG) ou positiva (+CG) dependendo de
onde se originam dentro da nuvem.
o Em tempestades isoladas, a porcentade de +CGs aumenta conforme a bigorna
é “cisalhada” e conforme a precipitação cai/cessa (dissipação).
Mecanismos de eletrificação dos hidrometeoros e
estrutura elétrica das tempestades
0oC
-10oC
-40oC
+
+
- -
+ +
+
- -
Baixa %+CGs –CGs são freqüentes +CGs são raros tripólo normal
Alta %+CGs –CGs são freqüentes +CGs são ocasionais tripólo inclinado
Mais alta %+CGs –CGs são raros +CGs são ocasionais tripólo inclinado + estágio dissip.
o Nos sistemas convectivos de mesoescala (complexos convectivos,
linhas de instabilidade, etc.) são comuns:
o –CGs dominantes na região convectiva
o +CGs dominantes na região da bigorna
o +CGs dominantes na região estratiforme
Mecanismos de eletrificação dos hidrometeoros e
estrutura elétrica das tempestades
0oC
-10oC
-40oC
+
+
- - +
-
+ +
Sistema Convectivo de Mesoescala
+
–CGs +CGs +CGs
Mecanismos de eletrificação dos hidrometeoros e
estrutura elétrica das tempestades
Rutledge and MacGorman (1988) - → –CGs
+ → +CGs
%+CGs em Setembro de 2000-2004
Albrecht (2008) e Albrecht et al. (2011)
Espessura Camada Líquida fina durante a estação de transição
Sistema Convectivo de Mesoescala
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 76
Fluxo de Corrente em Tempestades:
1 – Correntes a partir do topo da nuvem:
2 – Corona ou ponto de descarga:
3 – Correntes de Precipitação
4 – Relâmpagos
5 – Correntes de Maxwell
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 77
Correntes a partir do topo da nuvem:
Em 1920, Wilson propôs que o Fluxo de corrente do topo das
tempestades para a alta atmosfera adiciona corrente de bom tempo
(circuito elétrico global).
Este fluxo decorre da resposta dos íons pequenos que reagem a ação
do Campo Elétrico da carga positiva resultante no topo da tempestade;
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 78
Corona ou ponto de descarga:
Corrente de corona é produzida a partir da quebra ou ionização das
moléculas de ar na presença de um Campo Elétrico alto.
Geralmente ocorre próximo a pontos condutores debaixo de tempestades
(grama, arvores, postes, antenas, etc.)
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 79
Correntes de Maxwell
Krider e Massur, 1982, propõe o cálculo do fluxo total de corrente em
tempestades a partir das medidas da densidade de corrente de Maxwell.
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 80
Referências Capítulo 3 de MacGorman D. e W. D. Rust, 1998: “The Electrical Nature of Storm”,
Oxford University Press.
Capítulo 3 de Rakov, V. A., 2016: Fundamentals of lightning. Cambridge University Press.
Artigo de Saunders, C., 2008: Charge Separation Mechanisms in Clouds. Space Sci. Rev., 137, 335–353, doi:10.1007/s11214-008-9345-0.
ARTIGOS CIENTÍFICOS CITADOS:
Avila, E. E., and R. G. Pereyra, 2000: Charge Transfer During Crystal‐Graupel Collisions for Two Different Cloud Droplet Size Distributions. 27, 3837–3840.
Baker, M. B., and J. G. Dash, 1994: Mechanism of charge transfer between colliding ice particles in thunderstorms. J. Geophys. Res., 99, 10621–10626, doi:10.1029/93JD01633.
Dash, J. G., B. L. Mason, and J. S. Wettlaufer, 2001: Theory of charge and mass transfer in ice-ice collisions. J. Geophys. Res. Atmos., 106, 20395–20402, doi:10.1029/2001JD900109.
Emersic, C., and C. P. R. Saunders, 2010: Further laboratory investigations into the Relative Diffusional Growth Rate theory of thunderstorm electrification. Atmos. Res., 98, 327–340, doi:10.1016/j.atmosres.2010.07.011.
Fricke, R. G. A., and K. Schlegel, 2017: Julius Elster and Hans Geitel – Dioscuri of physics and pioneer investigators in atmospheric electricity. Hist. Geo. Space Sci., 8, 1–7, doi:10.5194/hgss-8-1-2017.
Grenet, G., 1947: Essai d’explication de la charge electrique des nuages d’orages. Ann. Geophys., 3, 306–307.
Jayaratne, E., C. Saunders, and J. Hallett, 1983: Laboratory studies of the charging of soft-hail during ice crystal interactions. Q. J. R. Meteorol. Soc., 109, 609–630, doi:10.1256/smsqj.46110.
Krehbiel, P. R., 1986: The Electrical Structure of Thunderstorms. The Earth’s Electrical Environment, National Academies Press, Washington, D.C., p. 263.
Nelson, J., and M. Baker, 2003: Charging of ice-vapor interfaces: Applications to thunderstorms. Atmos. Chem. Phys., 3, 1237–1252, doi:10.5194/acp-3-1237-2003.
Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 81
Referências Pereyra, R. G., E. E. Avila, N. E. Castellano, and C. P. R. Saunders, 2000: A laboratory study of graupel charging. J. Geophys. Res.
Atmos., 105, 20803–20812, doi:10.1029/2000JD900244.
Saunders, C. P. R., and S. L. Peck, 1998: Laboratory studies of the influence of cloud droplet size on charge transfer during crystal-graupel collisions. J. Geophys. Res. Atmos., 103, 13949–13956, doi:10.1029/97JD02644.
Saunders, C. P. R., W. D. Keith, and R. P. Mitzeva, 1991: The effect of liquid water on thunderstorm charging. J. Geophys. Res., 96, 11007, doi:10.1029/91JD00970.
——, H. Bax-norman, C. Emersic, E. E. Avila, and N. E. Castellano, 2006: Laboratory studies of the effect of cloud conditions on graupel/crystal charge transfer in thunderstorm electrification. Q. J. R. Meteorol. Soc., 132, 2653–2673, doi:10.1256/qj.05.218.
Stolzenburg, M., and W. Rust, 1998: Electrical structure in thunderstorm convective regions 3. Synthesis. J. Geophys. Res., 103, 14,097-14,108.
Takahashi, T., 1978: Riming electrification as a charge generation mechanism in thunderstorms. J. Atmos. Sci., doi:10.1175/1520-0469(1978)035<1536:REAACG>2.0.CO;2.
Takahashi, T., and K. Miyawaki, 2002: Reexamination of Riming Electrification in a Wind Tunnel. J. Atmos. Sci., 59, 1018–1025, doi:10.1175/1520-0469(2002)059<1018:ROREIA>2.0.CO;2.
Vonnegut, B., 1953: Possible mechanism for the formation of thunderstorm electricity. Bull. Am. Meteorol. Soc., 34, 378.
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Williams, E. R., 2010: Origin and context of C. T. R. Wilson’s ideas on electron runaway in thunderclouds. J. Geophys. Res. Sp. Phys., 115, n/a-n/a, doi:10.1029/2009JA014581.
Williams, E. R., R. Zhang, and J. Rydock, 1991: Mixed-Phase Microphysics and Cloud Electrification. J. Atmos. Sci., 48, 2195–2203, doi:10.1175/1520-0469(1991)048<2195:MPMACE>2.0.CO;2.
Wilson, C. T. R., 1916: On Some Determinations of the Sign and Magnitude of Electric Discharges in Lightning Flashes. Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci., 92, 555–574, doi:10.1098/rspa.1916.0040.
——, 1921: Investigations on Lightning Discharges and on the Electric Field of Thunderstorms. Philos. Trans. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci., 221, 73–115, doi:10.1098/rsta.1921.0003.
Wilson, C. T. R., and Jacksonian, 1929: Some thundercloud problems. J. Franklin Inst., 208, 1–12, doi:10.1016/S0016-0032(29)90935-2.