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