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Os cientistas nunca foram capazes de explicar adequadamente de onde vêm os raios. Agora, as primeiras observações detalhadas de seu surgimento dentro de uma nuvem expuseram como os campos elétricos se tornam fortes o suficiente para permitir que os parafusos voem.
Durante uma tempestade de verão em 2018, um importante relâmpago brilhou acima de uma rede de radiotelescópios na Holanda. As gravações detalhadas dos telescópios, que foram processadas apenas recentemente, revelam algo que ninguém viu antes: um raio realmente começando dentro de uma nuvem de tempestade.
Em um novo artigo que será publicado em breve na revista Geophysical Research Letters, os pesquisadores usaram as observações para resolver um antigo debate sobre o que desencadeia os raios – a primeira etapa do misterioso processo pelo qual os raios surgem, crescem e se propagam para o solo . “É meio constrangedor. É o processo mais enérgico do planeta, temos religiões centradas em torno disso e não temos ideia de como funciona”, disse Brian Hare, pesquisador relâmpago da Universidade de Groningen e coautor do novo artigo.
A imagem do livro escolar é que, dentro de uma nuvem de tempestade, cai granizo enquanto cristais de gelo mais leves sobem. O granizo esfrega os elétrons carregados negativamente dos cristais de gelo, fazendo com que o topo da nuvem se torne positivamente carregado, enquanto o fundo fica negativamente carregado. Isso cria um campo elétrico que cresce até que uma faísca gigantesca salta pelo céu.
No entanto, os campos elétricos dentro das nuvens são cerca de 10 vezes fracos demais para criar faíscas. “As pessoas têm enviado balões, foguetes e aviões em tempestades por décadas e nunca viram campos elétricos em qualquer lugar perto de grandes o suficiente”, disse Joseph Dwyer, um físico da Universidade de New Hampshire e um coautor do novo artigo que está intrigado com as origens dos raios por mais de duas décadas. “Tem sido um verdadeiro mistério como isso está acontecendo.”
Um grande obstáculo é que as nuvens são opacas; mesmo as melhores câmeras não conseguem espiar dentro para ver o momento da iniciação. Até recentemente, isso dava aos cientistas pouca escolha a não ser se aventurar na tempestade – algo que eles vêm tentando desde o famoso experimento de pipa de Benjamin Franklin em 1752. (De acordo com um relato contemporâneo, Franklin anexou uma chave a uma pipa e a empinou sob uma nuvem de tempestade , observando que a pipa ficou eletrificada.) Mais recentemente, balões meteorológicos e foguetes ofereceram instantâneos do interior, mas sua presença tende a interferir nos dados, criando artificialmente faíscas que não ocorreriam naturalmente. “Por muito tempo nós realmente não sabemos quais são as condições dentro de uma tempestade na hora e local em que o raio inicia,” disse Dwyer.
Assim, Dwyer e sua equipe recorreram ao Low Frequency Array (LOFAR), uma rede de milhares de pequenos radiotelescópios principalmente na Holanda. LOFAR geralmente olha para galáxias distantes e estrelas em explosão. Mas, de acordo com Dwyer, “funciona muito bem para medir raios também”.
Quando as tempestades passam por cima, há pouca astronomia útil que o LOFAR pode fazer. Em vez disso, o telescópio sintoniza suas antenas para detectar uma enxurrada de cerca de um milhão de pulsos de rádio que emanam de cada relâmpago. Ao contrário da luz visível, os pulsos de rádio podem passar por nuvens espessas.
Usar detectores de rádio para mapear relâmpagos não é novo; antenas de rádio específicas há muito observam tempestades no Novo México. Mas essas imagens são de baixa resolução ou apenas em duas dimensões. O LOFAR, um telescópio astronômico de última geração, pode mapear a iluminação em uma escala de metro a metro em três dimensões e com uma taxa de quadros 200 vezes mais rápida do que os instrumentos anteriores poderiam alcançar. “As medições LOFAR estão nos dando a primeira imagem realmente clara do que está acontecendo dentro da tempestade”, disse Dwyer.
Um relâmpago que se materializa produz milhões de pulsos de rádio. Para reconstruir uma imagem 3D de um raio a partir da confusão de dados, os pesquisadores empregaram um algoritmo semelhante ao usado nos pousos da Apollo na lua. O algoritmo atualiza continuamente o que é conhecido sobre a posição de um objeto. Enquanto uma única antena de rádio pode indicar apenas a direção aproximada do flash, adicionar dados de uma segunda antena atualiza a posição. Ao fazer um loop constante em milhares de antenas do LOFAR, o algoritmo constrói um mapa claro.
Quando os pesquisadores analisaram os dados do relâmpago de agosto de 2018, eles viram que todos os pulsos de rádio emanavam de uma região de 70 metros de largura dentro da nuvem de tempestade. Eles rapidamente inferiram que o padrão de pulsos apóia uma das duas principais teorias sobre como o tipo mais comum de relâmpago começa.
Uma ideia sustenta que os raios cósmicos – partículas do espaço sideral – colidem com elétrons dentro de tempestades, disparando avalanches de elétrons que fortalecem os campos elétricos.
As novas observações apontam para a teoria rival. Tudo começa com aglomerados de cristais de gelo dentro da nuvem. As colisões turbulentas entre os cristais em forma de agulha eliminam alguns de seus elétrons, deixando uma extremidade de cada cristal com carga positiva e a outra com carga negativa. A extremidade positiva atrai elétrons de moléculas de ar próximas. Mais elétrons fluem de moléculas de ar que estão mais distantes, formando fitas de ar ionizado que se estendem de cada ponta de cristal de gelo. Estes são chamados de streamers.
LOFAR / ASTRON
Dwyer tem esperança de que o LOFAR seja capaz de resolver esses processos em escala milimétrica. “Estamos tentando ver as primeiras pequenas faíscas que saem [dos cristais de gelo] para capturar a ação de iniciação logo no início”, disse ele.
A iniciação é apenas o primeiro de muitos passos intrincados que o relâmpago dá em seu caminho até o solo. “Não sabemos como ele se propaga e cresce”, disse Hare. “Não sabemos como ele se conecta ao solo.” Os cientistas esperam mapear toda a sequência com a rede LOFAR. “É uma capacidade totalmente nova e acho que vai aumentar nossa compreensão sobre os raios em pulos e saltos”, disse Julia Tilles, pesquisadora de raios no Sandia National Laboratories no Novo México.
Publicado em 21/12/2021 19h01
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