19Física na Escola, v. 2, n. 1, 2001

Marcelo M.F. SabaPesquisador do Grupo de EletricidadeAtmosféricaInstituto Nacional de PesquisasEspaciaisC.P. 515 - 12201-970S. José dos Campos, SP, Brasile-mail: saba@dge.inpe.br

Neste artigo explicam-se diversos aspectossobre a física envolvida na formação de nuvensde tempestades e relâmpagos, fenômenos quepor milhares de anos assustaram a humanidadee com os quais devemos ter alguns cuidados.

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A Física das Tempestades e dos Raios

Como asnuvens seformam?

A origem deuma nuvemestá no calorque é irradia-do pelo Solatingindo a

superfície de nosso planeta. Este calorevapora a água que sobe por sermenos denso que o ar ao nível do mar.Ao encontrar regiões mais frias daatmosfera o vapor se condensaformando minúsculas gotinhas deáguas que compõem então as nuvens.

Basta então calor e umidade?

Não. Na atmosfera a tempera-tura do ar diminui com a altura.Dependendo de quão rápida é estadiminuição, o crescimento de umanuvem pode ser acelerado ou ini-bido. Alguns outros fatores podemtambém dar uma “mãozinha” paraque a nuvem cresça: as montanhas,onde ventos batem forçando o arquente subir, e as frentes frias,camadas de ar frio que funcionamcomo uma cunha empurrando o arquente para cima. Sabemos ainda

que para o vapor tornar-se umagotinha d’água ele precisa encontrarna atmosfera partículas sólidas so-bre as quais se condensar. Essas par-tículas estão sempre em suspensãono ar, mesmo nas regiões onde o aré muito puro.

Todas as nuvens produzemrelâmpagos?

Não. Somente as nuvens de tem-pestades, conhecidas como cumolo-nimbus, possuem os ingredientesnecessários para produzir relâm-pagos: ventos intensos, grande exten-são vertical e partículas de gelo e águaem diversos tamanhos.

Que aspecto têm as nuvens detempestade?

Estas nuvens são enormes. Elastêm sua base em 2 ou 3 km e o topoem até 20 km de altitude! Podem ter10 ou mesmo 20 km de diâmetro.Normalmente têm a sua base escura,pois a luz solar é absorvida e espa-lhada pelas partículas de água e gelode que são formadas. O seu topo mui-tas vezes atinge a base da estratosfera(camada da atmosfera logo acima datroposfera, onde vivemos). Ao atingira base da estratosfera, a nuvem nãoconsegue mais subir, pois a tempe-

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ratura nessa camada tende a aumen-tar devido à absorção do ultravioletapela camada de ozônio. Assim ela seespalha horizontalmente na direçãodos ventos nessa altitude, fazendo quea nuvem tenha o aspecto de uma bi-gorna. As nuvens de tempestadegeralmente estão associadas a: chuvastorrenciais e enchentes, granizo ou“chuva de pedra”, ventos intensos ou“rajadas de vento”, e eventualmenteos temíveis tornados. A quantidadede energia envolvida em apenas umatempestade modesta é assustadora.Ela é várias vezes superior à energialiberada pela primeira bomba atômicadetonada em um deserto dos EstadosUnidos em 1945. A diferença é que abomba atômica libera toda sua ener-gia em uma fração de segundo, en-quanto uma tempestade o faz duranteum período de muitos minutos ouvárias horas.

Qual o efeito das tempestadessobre o clima?

As tempestades são como gran-des trocadores de calor. Ou seja, o arque próximo ao chão encontrava-se,em dias de verão, a quase 40 °C, podeser transportado até o topo datempestade onde pode chegar com atemperatura de -70 °C. Existem es-timativas de que o nosso planeta semessas nuvens trocadoras de calor teriauma temperatura média 10 °C maior.

Por que as nuvens se eletrificam?

Ainda não há uma teoria defi-nitiva que explique a eletrificação danuvem. Há, no entanto, um consensoentre os pesquisadores de que a eletri-ficação surge da colisão entrepartículas de gelo, água e granizo nointerior da nuvem. Uma das teoriasmais aceitas nos diz que o granizo,sendo mais pesado, ao colidir comcristais de gelo, mais leves, fica car-regado negativamente, enquanto oscristais de gelo ficam carregados posi-tivamente. Isso explicaria o fato de amaioria das nuvens de tempestade terum centro de cargas negativas embai-xo e um centro de cargas positivas nasua parte superior. Algumas nuvensapresentam também um pequenocentro de cargas positivas próximo àsua base.

Por que existem relâmpagos?

Quando a concentração de cargasno centro positivo e negativo danuvem cresce muito, o ar que os cir-cunda já não consegue isolá-los eletri-camente. Acontecem então descargaselétricas entre regiões de concentraçãode cargas opostas que aniquilam oupelo menos diminuem essas concen-trações. A maioria das descargas(80%) ocorre dentro das nuvens, mascomo as cargas elétricas na nuveminduzem cargas opostas no solo, asdescargas podem também se dirigir aele.

Quando e quem descobriu que osraios eram enormes descargas(faíscas) elétricas?

Em 1752, Benjamin Franklinpropôs uma experiência para verificarse as nuvens possuíam eletricidade.Sugeria que uma pessoa subisse noalto de uma montanha em um dia detempestade e verificasse se de umahaste metálica isolada do chão pula-riam faíscas em direção aos dedos dasua mão. Era uma experiência arris-cadíssima que ele mesmo não a rea-lizou, talvez por não haverem monta-nhas suficientemente altas na Filadél-fia, onde morava. Quem a realizoupela primeira vez foi Thomas FrançoisDalibard, na França, em maio de1752. Um mês depois, sem saber dosucesso da experiência na França,Franklin conseguiu uma maneira dea realizar na Filadélfia. Em um dia detempestade empinou uma pipa eobservou faíscas pularem de umachave amarrada próximo da extremi-dade da linha à sua mão. Tanto uma

como outra experiência não devem serrepetidas por ninguém. Várias pessoasmorreram tentando repeti-las!

Como funciona o pára-raios?

Um pára-raios nem atrai nemrepele os raios. Ele também não des-carrega a nuvem como pensava Ben-jamin Franklin. Ele simplesmente ofe-rece ao raio um caminho fácil até osolo que é ao mesmo tempo seguropara nós e para o que pretendemosproteger.

Quais os tipos de relâmpagos?

Aqueles que tocam o solo (80%)podem ser divididos em descendentes(nuvem-solo) e ascendentes (solo-nu-vem). Os que não tocam o solo podemser basicamente de três tipos: dentroda nuvem, da nuvem para o ar e deuma nuvem para outra. O tipo maisfreqüente dos raios é o descendente.O raio ascendente é raro e só acontecea partir de estruturas altas no chão(arranha-céus) ou no topo de mon-tanhas (torres, antenas). Os raiosascendentes têm sua ramificaçãovoltada para cima.

O que é um raio bola?

O raio bola é o mais misteriosodos raios e, portanto o que mais in-triga os cientistas. Ele já foi observadopor milhares de pessoas e, no entantonão há até hoje medidas suficientesque possam comprovar qualqueruma das várias teorias elaboradaspara explicá-lo. Normalmente o seutamanho varia entre o de uma bolade ping-pong e o de uma grande bolade praia, e sua duração é em média15 segundos; possui um colorido namaioria das vezes amarelado eluminosidade menor do que umalâmpada de 100 W. Flutua pelo ar nãomuito longe do chão, e não seguenecessariamente a direção do vento.Costuma desaparecer silenciosamenteou acompanhado de uma explosão.

Existem raios positivos e negativos?

Sim. Os raios têm a sua polari-dade atribuída conforme o tipo decarga que neutralizam na nuvem.Portanto, se um raio neutralizarcargas negativas na nuvem ele é umraio negativo. Na prática não pode-

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mos dizer com certeza se um raio épositivo ou negativo a não ser com oauxílio de instrumentos adequados.

Quais as fases de um raio?

Um raio começa com pequenasdescargas dentro da nuvem. Estasdescargas liberam os elétrons quecomeçarão seu caminho de descida emdireção ao solo. Esse caminho de des-cida é tortuoso e truncado em passosde 50 metros, como que buscando ocaminho mais fácil. Esta busca deuma conexão com a terra é muitorápida (330.000 km/h) e pouco lu-minosa para ser visto a olho nu.Quando essa descarga, conhecidacomo ‘líder escalonado’, encontra-sea algumas dezenas de metros do solo,parte em direção a ela uma outra des-carga com cargas opostas, chamadade ‘descarga conectante’. Forma-seentão o que é conhecido como o ca-nal do raio, um caminho ionizado ealtamente condutor. Por ele passa umgigantesco fluxo de cargas elétricasdenominado ‘descarga de retorno’. Éneste momento que o raio acontececom a máxima potência, liberandogrande quantidade de luz.

O raio pisca?

Se houver cargas disponíveis nanuvem, uma outra descarga intensa(chamada ‘subseqüente’) pode acon-tecer logo após a primeira. Aproxi-madamente metade dos raios possuidescargas subseqüentes. Eles são cha-mados de raios múltiplos. Em médiao número de descargas subseqüentesem raios múltiplos é três, mas já fo-ram observadas mais de 50 descargassubseqüentes em um mesmo raio. Otempo entre uma descarga e outra éàs vezes suficientemente longo possi-bilitando ao olho humano ver nãouma, mas várias descargas aconte-cendo no mesmo local; é quandovemos o raio piscar.

Sobe ou desce?

As duas coisas. Se pensarmos emtermos das cargas elétricas que fluemno raio, concluiremos, como foi expli-cado anteriormente, que as cargasdescem um bom trecho do caminhoantes de se encontrarem com umadescarga que parte do solo subindo

em direção a ela para formar o cami-nho do raio.

Por que os raios se ramificam?

A primeira descarga do raio ge-ralmente apresenta-se muito ramifi-cada pois no seu caminho até o soloas cargas elétricas buscam o caminhomais fácil (em termos de menor re-sistência do ar) e não o mais curto(que seria uma linha reta). O caminhomais fácil, geralmente em zigue-zague, é determinado por diferentescaracterísticas elétricas da atmosfera,que não é homogênea.

Qual a duração de um raio?

Um raio composto de várias des-cargas pode durar até 2 segundos. Noentanto, cada descarga que compõe oraio dura apenas frações de milésimosde segundo.

Qual a sua voltagem e corrente?

A voltagem de um raio encontra-se entre 100 milhões a 1 bilhão deVolts. A corrente é da ordem de 30 milAmpères, ou seja, a corrente utilizadapor 30 mil lâmpadas de 100 W jun-tas. Em alguns raios a corrente podechegar a 300 mil Ampères!

Qual a energia envolvida em umraio?

Grande parte da energia de umraio é transformada em calor, luz,som e ondas de rádio. Apenas umafração dela é convertida em energiaelétrica. Sabemos que a duração deum raio é extremamente curta, assim,apesar dos grandes valores de correntee voltagem envolvidos a energia elé-trica média que um raio gasta é de300 kWh, ou seja, aproximadamenteigual à de uma lâmpada de 100 Wacesa durante apenas quatro meses.

É possível utilizar a energia de umraio?

Para que pudéssemos utilizar essaenergia, necessitaríamos não sócapturá-la mas também armazená-la,o que é ainda impossível. Para captu-rar raios seria necessária uma quan-tidade muito grande de hastes metá-licas para aumentar a chance de quefossem atingidas. No entanto, encon-tram-se em andamento pesquisas que

tentam drenar as cargas elétricas dasnuvens de tempestade com o auxíliode potentíssimos raios laser. A idéia étentar, com o auxílio do laser, guiar oraio até um local onde fosse possívelarmazenar a sua energia.

Qual a sua espessura ecomprimento?

O raio pode ter até 100 km decomprimento. Raios com esse com-primento geralmente envolvem maisde uma nuvem de tempestade. Apesarde seu grande comprimento, a espes-sura do canal de um raio é de apenasalguns centímetros.

Qual a temperatura de umrelâmpago?

A temperatura é superior a cincovezes a temperatura da superfície so-lar, ou seja, a 30.000 graus Celsius.Quando um raio atinge e penetra so-los arenosos a sua alta temperaturaderrete a areia, transformando-a emuma espécie de tubo de vidro chamadofulgurito.

O que é o trovão?

Muita gente acha que o trovão é obarulho causado pelo choque entre nu-vens. Esta idéia é errada e muito antiga.Lucrécio (98-55 a.C.) acreditava quetanto o raio como o trovão eramproduzidos por colisões entre nuvens.Na verdade é o rápido aquecimento doar pela corrente elétrica do raio que pro-duz o trovão. Assim como uma cor-rente elétrica aquece a resistência denossos aquecedores, a corrente do raio,ao passar pelo ar (que é um péssimocondutor), aquece-o e ele se expandecom violência, produzindo um som in-tenso e grave. Nos primeiros metros aexpansão ocorre com velocidade super-sônica. Um trovão intenso pode chegara 120 decibéis, ou seja, uma intensi-dade comparável à que ouve umapessoa nas primeiras fileiras de umshow de rock.

Como saber se o raio “caiu” perto?

A luz produzida pelo raio chegaquase que instantaneamente na vistade quem o observa. Já o som (trovão)demora um bom tempo, pois a suavelocidade é aproximadamente ummilhão de vezes menor. Para saber a

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que distância aconteceu o raio, comecea contar os segundos ao ver o seu cla-rão e pare de contar ao ouvir o seutrovão. Divida o número obtido portrês e você terá a distância aproximadado raio até você em quilômetros. Essaconta se explica se tivermos em contaque a velocidade do som é de aproxi-madamente 330 m/s, ou seja, umterço de quilômetro por segundo.

Se o raio dura apenas frações desegundo, porque o trovão é tãolongo?

O som do trovão inicia-se com aexpansão do ar produzida pelo trechodo raio que estiver mais próximo doobservador e termina com o somgerado pelo trecho mais distante (semconsiderar as reflexões que possa ter).Como vimos, o canal do raio pode terdezenas de quilômetros. Assim, o somgerado por uma extremidade queesteja muito distante pode chegar de-zenas de segundos depois de ouvirmoso som gerado por um trecho do canalque estiver mais próximo.

A que distância pode-se ouvir otrovão?

Um trovão dificilmente pode serouvido se o raio acontecer a uma dis-tância maior do que 25 quilômetros.Isso deve-se à tendência que o somtem de curvar-se em direção a cama-das de ar com menor temperatura(refração). Como a temperatura daatmosfera geralmente diminui com aaltura, o som do trovão curva-se para

cima passando por cima do obser-vador.

Além da luz, o raio produz algumaoutra radiação?

Além de produzir luz, o raio pro-duz ondas eletromagnéticas em váriasoutras freqüências, inclusive raios-X.É comum ouvirmos ruídos e chiadosao sintonizarmos uma rádio AM emdia de tempestade. Isso ocorre porqueo raio também produz ondas nestafaixa de freqüência. Graças a essacaracterística, antenas sincronizadas

NotasMais informações sobre o assunto podem

ser encontradas na internet: www.lightning.dge.inpe.br e com o autor, Marcelo Saba, peloe-mail: saba@dge. inpe.br

Osmar Pinto Jr. e Iara de A. Pinto. Relâm-pagos. Ed. Brasiliense, 1996.

Foto do primeiro raio artificial induzidono Brasil.

podem localizar o local de sua ocor-rência com precisão simplesmenterecebendo a onda eletromagnéticaproduzida pelos raios.

O que são os raios induzidos?

Uma grande dificuldade no estudodos raios é não poder reproduzi-los emlaboratório. Como a natureza não avisaonde e quando o raio vai ocorrer, umamaneira alternativa de estudá-lo con-siste em provocar o raio para que acon-teça próximo aos instrumentos demedida e no momento em que estive-rem preparados. Para que isso aconteça,foguetes especialmente preparados sãolançados em direção à base de umanuvem de tempestade. Eles têm apro-ximadamente 1 metro de comprimentoe levam consigo uma bobina de fio decobre que se desenrola ao longo dasubida. O fio de cobre atua como umgigante pára-raios cuja presença induza ocorrência do raio. A corrente elétricado raio passa pelo fio e por instrumen-tos de medida na base de lançamentos.Outras medidas podem ser feitastambém ao redor da base. Raios indu-zidos foram feitos pela primeira vez noBrasil na sede do INPE em CachoeiraPaulista, em novembro de 2000.

Material• caixa de sapato;• papel vegetal;• papel alumínio.

ProcedimentoCorte um retângulo grande em

um dos lados menores de uma caixade sapato e cubra-o com papel vege-tal. No lado oposto abra umquadrado de 1,5 cm de lado e cubra-o com papel alumínio (ver figura).

Faça um furo pequeno no papel

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alumínio. Feche a caixa e aponte-a pa-ra alguma coisa bem iluminada (oumesmo o filamento de uma lâmpada

transparente) e veja a imagem for-mada no papel vegetal. Faça outrofuro no papel alumínio.

Observe que...Para cada furo feito no papel alu-

mínio, aparece uma nova imagemsobre o papel vegetal.

Tópicos de Discussão• Propagação retilínea da luz• Formação de imagens na

câmara escura• Princípios da fotografia

Imagens Múltiplas