Introdução à Estrutura

Atmosférica – Parte 2

Ionosfera e Circuito Elétrico

Global

Ionosfera

A ionosfera é uma região ionizada pela radiação solar e

cósmica e também é conhecida como o eletrodo condutor

superior do circuito global.

e- O+

O2

A Ionosfera Terrestre foi dividida em várias regiões

conhecidas como: D, E e F (F1 e F2).

As ondas de rádio foram utilizadas para detectar as

camadas que “refletiam” as ondas que retornavam a

Terra.

A camada “E” foi a primeira

a ser detectada, e o seu

nome se deve a

reflexão do campo

elétrico

proveniente

das ondas de rádio;

Existe uma separação de regiões na

ionosfera devido à:

• Energia solar depositada em várias

alturas devido à absorção

característica na atmosfera;

• Da física de recombinação que

depende da densidade;

• Da composição da atmosfera que

muda com a altura (a secção-

transversal vertical de absorção varia

com a altura)

2

eeff

eNq

dt

dN

dzFzN

dFev

)(

Concentração de Elétrons

Intensidade de Radiação

q é a taxa de produção de elétrons,

é o coeficiente de recombinação efetiva

é a secção transversal de ionização

Ne concentração, cosseno do ângulo zenital

v

eff

Foto-Ionização O2 + hv O2+ + e < 1027 Angstron

Carga-Troca N2+ + O2 O2

+ + N2 Corona e Raio-X

Inter-troca de átomos-Ions N2+ + O NO+ + N Corona e Raio-X

Processos de produção de Íons

Recombinação Dissociativa O + hv O+ + e (F1) < 911 Angstron

O2+ + e O + O (E)

NO++ e N + O

Recombinação Radiativa O+ + e O + hv Processo bem devagar

Inter-troca de átomos-Ions O+ + O2 O2+ + O

O+ + N2 NO+ + N e depois ocorre uma

recombinaçao dissociativa

O2+ + e O + O

NO+ + e N + O

Processos de Recombinação

Resultados da Teoria de Chapman

Propriedades Elétricas da Atmosfera abaixo da Ionosfera

a)Condição de Bom Tempo – “Fair Weather”

Na baixa atmosfera, ou Troposfera, temos um estado de

quase equilíbrio eletrostático.

As cargas se movem em regiões onde igualam o momento

de carga que está sendo liberado pela região.

Condições de bom tempo são definidas como condições

atmosféricas sem a presença: tempestades, hidrometeoros,

ventos de areias, vulcões ativos e etc.

As condições de tempo bom podem existir na presença de

nuvens, mas neste casa o campo elétrico tem que ser fraco,

de forma a não gerar uma inversão de polaridade do campo

elétrico sobre a superfície.

b) Visão Simplificada da Estrutura elétrica da Terra:

Coulomb (1795) – Modelo de capacitor esférico:

•Parte inferior: superfície terrestre;

•Parte externa: alta atmosfera altamente condutiva;

•Parte interna: O Ar dentro sendo o Dielétrico;

Este capacitor esférico está carregado com

~ 5 x 104 C em cada camada.

Uma vez que o dielétrico é um fraco condutor (AR no nossa

caso), existe um vazamento de corrente que se propaga entre

as duas camadas (pratos) do capacitor.

Este “vazamento de corrente” poderia neutralizar a carga

da superfície terrestre e da atmosfera em ~ 10 minutos

Em 1920, Wilson propôs que as “tempestades” seriam

responsáveis pela produção da energia eletromagnética

(EMF) e que elas alimentavam a corrente elétrica que

carregava continuamente o capacitor – ou seja, carga

positiva movendo-se para cima e carga negativa para

baixo. Neste modelo, as correntes negativas para baixo

eram os raios. Dessa maneira, assume-se que os raios

mantém a carga negativa sobre a superfície da terra.

Esta distribuição de

cargas, mantém o

campo elétrico da

atmosfera, ou seja, o

campo elétrico de

condições de bom

tempo.

Em terrenos não montanhosos o Campo Elétrico tem

valores de ~-100 V/m, direcionado para baixo.

Sendo que o campo elétrico diminui com a altura a

medida que a condutividade aumenta.

De acordo com Gish (1944) o Campo Elétrico pode

ser descrito como:

Z(km) e E(V/m)

E(z) = -{ 81.8 e-4.52z + 38.6 e –0.375z + 10.27 e –0.121z }

Variações Diurnas e Sazonais das propriedade elétricas da

baixa atmosfera:

As expedições do barco “Carnegie” entre os anos de 1909

e 1921 realizaram medidas de campo elétrico e magnético

em todos os oceanos Atlântico, e permitiu compreender as

variações diurnas e sazonais de bom tempo

Ao todos, esta embarcação percorreu ~ 200.000 km em 7

cruzeiros e teve a sua ultima missão em 1928-1929, antes

de um incêndio que destruiu o barco.

Análise Clássica do Circuito Elétrico

Global

Curva de Carnegie

Area de Tempestades

Circuíto Elétrico Global

Acredita-se que a maior parte da energia elétrica das

tempestades é liberada na forma de relâmpagos.

Tempestades modestas produzem algumas descargas

elétricas por minuto e tem uma potência equivalente à

gerada por um usina nuclear.

Por exemplo, para um Raios temos:

I = 30 kA

E = 300 kV

Potência = I x E = 30 x103 x 300 x103 = 9 x 109 W (VA)

em 30 seg

Uma usina nuclear média produz 500 MW = 5x108 W

Circuíto Elétrico Global

A partir de análises de escala das Vannegut (1963)

observou que a potência liberada por uma descarga

elétrica era proporcional do tamanho da nuvem (e

altura) a quinta potência

Portanto, a duplicação das dimensões da nuvem eleva a

potência liberada em 3 vezes.

Tempestades elétricas enormes chegam a produzir 100

descargas atmosféricas por minuto.

• Existem de 1000 a

2000

tempestades

elétricas

ativas em

qualquer

instante na

Terra.

• 50-100 raios

por segundo

Distribuição vertical da corrente