Todo mundo já viu um raio e ficou maravilhado com seu poder. Mas, apesar de sua frequência – cerca de 8,6 milhões de relâmpagos ocorrem em todo o mundo todos os dias ?, por que o raio procede em uma série de etapas da nuvem de tempestade até a terra abaixo permanece um mistério.
Existem alguns livros didáticos sobre raios, mas nenhum explica como esses “ziguezagues” (chamados degraus) se formam e como os raios podem viajar por quilômetros. Minha nova pesquisa fornece uma explicação.
Os intensos campos elétricos nas nuvens de tempestade excitam os elétrons para que tenham energia suficiente para criar o que é conhecido como “moléculas de oxigênio singleto delta”. Essas moléculas e elétrons se acumulam para criar uma etapa curta e altamente condutora, que se ilumina intensamente por um milionésimo de segundo.
No final da etapa, há uma pausa enquanto a construção acontece novamente, seguida por outro salto brilhante e brilhante. O processo é repetido várias vezes.
Um aumento nos eventos climáticos extremos significa que a proteção contra raios é cada vez mais importante. Saber como um raio é iniciado significa que podemos descobrir como proteger melhor edifícios, aviões e pessoas. Além disso, embora o uso de materiais compostos ecologicamente corretos em aeronaves melhore a eficiência de combustível, esses materiais aumentam o risco de danos causados por raios, portanto, precisamos procurar proteção adicional.
O que leva a um raio?
Os relâmpagos acontecem quando nuvens de tempestade com um potencial elétrico de milhões de volts são conectadas à terra. Uma corrente de milhares de amperes flui entre o solo e o céu, com uma temperatura de dezenas de milhares de graus.
Fotografias de relâmpagos revelam uma série de detalhes não observados a olho nu. Normalmente, há quatro ou cinco “líderes” fracos vindos da nuvem. Estes são ramificados e ziguezagueam em um caminho irregular em direção à terra.
O primeiro desses líderes a atingir a terra inicia o ataque do raio. Os outros líderes são então extintos.
Cinquenta anos atrás, a fotografia de alta velocidade revelava ainda mais complexidade. Os líderes descem da nuvem em “passos” de cerca de 50 metros de comprimento. Cada passo se torna brilhante por um milionésimo de segundo, mas depois há escuridão quase completa. Depois de mais 50 milionésimos de segundo, outra etapa se forma, no final da etapa anterior, mas as etapas anteriores permanecem escuras.
Por que existem essas etapas? O que está acontecendo nos períodos escuros entre as etapas? Como as etapas podem ser conectadas eletricamente à nuvem sem conexão visível?
As respostas a essas perguntas estão na compreensão do que acontece quando um elétron energético atinge uma molécula de oxigênio. Se o elétron tiver energia suficiente, ele excita a molécula para o estado singleto delta. Este é um estado “metaestável”, o que significa que não é perfeitamente estável – mas geralmente não cai em um estado de energia inferior por 45 minutos ou mais.
O oxigênio neste estado delta singleto separa os elétrons (necessários para o fluxo de eletricidade) dos íons negativos de oxigênio. Esses íons são substituídos quase imediatamente por elétrons (que carregam uma carga negativa) novamente ligados às moléculas de oxigênio. Quando mais de 1% do oxigênio no ar está no estado metaestável, o ar pode conduzir eletricidade.
Portanto, as etapas do relâmpago ocorrem quando um número suficiente de estados metaestáveis é criado para separar um número significativo de elétrons. Durante a parte escura de uma etapa, a densidade de estados metaestáveis e elétrons está aumentando. Após 50 milionésimos de segundo, o degrau pode conduzir eletricidade – e o potencial elétrico na ponta do degrau aumenta para aproximadamente o da nuvem e produz um degrau adicional.
As moléculas excitadas criadas nas etapas anteriores formam uma coluna até a nuvem. Toda a coluna é então eletricamente condutora, sem necessidade de campo elétrico e com pouca emissão de luz.
Proteger pessoas e bens
O entendimento da formação do raio é importante para o projeto de proteção de edificações, aeronaves e também de pessoas. Embora seja raro um raio atingir as pessoas, os edifícios são atingidos muitas vezes – especialmente os altos e isolados.
Quando um raio atinge uma árvore, a seiva dentro da árvore ferve e o vapor resultante cria pressão, abrindo o tronco. Da mesma forma, quando um raio atinge o canto de um prédio, a água da chuva que penetrou no concreto ferve. A pressão explode em todo o canto do prédio, criando o risco de colapsos mortais.
Um para-raios inventado por Benjamin Franklin em 1752 é basicamente um arame de cerca grosso preso ao topo de um edifício e conectado ao solo. Ele é projetado para atrair raios e aterrar a carga elétrica. Ao direcionar o fluxo através do fio, ele evita que o prédio seja danificado.
Essas hastes Franklin são necessárias para edifícios altos e igrejas hoje, mas o fator incerto é quantas são necessárias em cada estrutura.
Além disso, centenas de estruturas não são protegidas, incluindo abrigos em parques. Essas estruturas geralmente são feitas de ferro galvanizado altamente condutor, que por si só atrai raios, e sustentadas por postes de madeira.
Publicado em 06/12/2022 10h16
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