Raios

Um raio é uma descarga elétrica que se produz pelo contato entre nuvens de chuva ou entre uma destas nuvens e a terra. A descarga é visível a olho nu, com trajetórias sinuosas e de ramificações irregulares às vezes com muitos quilômetros de distância até o solo. Este fenômeno produz um clarão conhecido como relâmpago e também uma onda sonora chamada trovão.
Raios atingindo a Torre Eiffel no ano de 1902
Alguns afirmam que foram os raios que, ao causar incêndios tiraram os primatas das árvores e mais tarde mostraram aos primeiros humanos a importância do fogo.
Desde a antiguidade os raios encantam e assombram a humanidade com seu aspecto ameaçador e ao mesmo tempo intrigante, que acabou por ser incorporado nos mitos e lendas como elemento de demonstração da existência de deuses poderosos como o grego Zeus e o nordico Thor, por exemplo.
Benjamin Franklin comprovou a hipótese da origem elétrica dos raios concebendo os pára-raios com a finalidade de proteger as edificações da ação dos raios.
Foi no século XVIII praticamente o início do estudo sistemático da eletricidade. Naquela época não se conhecia uma teoria que explicasse o fenômeno das tempestades e os raios que nelas se manifestavam.
[editar]Definição
Um raio é um fenômeno em que para acontecer é preciso que existam cargas opostas entre uma nuvem e o chão, quando isso acontece, a atração é muito forte, então temos uma enorme descarga elétrica.
Existem três tipos de raios classificados pela sua origem, também menos comumente chamados descargas iônicas ou atmosféricas:
Da nuvem para o solo.
Do solo para a nuvem.
Entre nuvens.
A descarga ocorre no momento em que as cargas elétricas (Quantidade de íons: cátions ou ânions) atingem energia suficiente para superar a rigidez dielétrica do ar, de forma explosiva, luminosa e violenta.
O processo ainda não se encontra totalmente esclarecido, havendo controvérsias sobre seu mecanismo de formação, mas sabe-se que, na maioria dos casos, a descarga ocorre após uma concentração de cargas, no qual pode-se falar em centros de concentração, e prossegue em duas fases distintas:
Distribuição da ocorrência de descargas elétrica no planeta
Na primeira libertam-se da nuvem várias descargas menores a partir do ar ionizado, criando o precursor da descarga: uma corrente iônica tanto maior quanto mais se aproxima do solo, favorecendo assim o trajeto do raio em formação. O precursor pode ser predominantemente ascendente ou descendente, pois, depende da natureza dos íons que formam a nuvem iônica. Ao ocorrer de um precursor aproximar-se do outro centro de cargas, este induzirá uma formação de um precursor oposto.
Quando o precursor completa o contato entre os centros de cargas, ocorre no sentido inverso ao longo daquele trajeto uma corrente aniônica, ou catiônica, dependendo da carga. É esta segunda descarga que vemos e ouvimos, e que irá contribuir para equilibrar as cargas iônicas da nuvem e do solo.
É comum de ocorrer mais de uma descarga através de um mesmo canal, no qual o ar encontra-se parcialmente ionizado. Estas descargas subsequentes são usualmente mais fracas que a primeira descarga.
Em geral, as descargas verticais normalmente predominam na frente de uma tempestade, tomando-se por base o sentido de seu deslocamento.[carece de fontes]
Os raios horizontais se formam na parte de trás, também levando-se em conta o sentido de deslocamento das massas de ar. Estas estão sempre presentes em qualquer trovoada, e aquecem localmente o ar até temperaturas muito elevadas.
O aquecimento do ar causa a expansão explosiva dos gases atmosféricos ao longo da descarga eléctrica, resultando numa violenta onda de choque (ou de pressão), composta de compressão e rarefacção, que interpretados como "trovão".
Uma tempestade (em algumas regiões, dá-se a nomenclatura "trovoada") típica produz três ou quatro descargas por minuto, em média.
[editar]Dimensões de um raio
Raios em Oradea na Romênia
O canal de descarga possui um diâmetro estimado de 2 a 5 cm e é capaz de aquecer o ar até 30.000 °C em alguns milisegundos[1]. Apenas 1% da energia do raio é convertida em ruído (trovão) sendo o resto libertado sob a forma de luz. O raio é uma manifestação de plasma, no qual sua condutividade permite o escoamento da eletricidade entre os centros de carga.
Um raio completamente formado pode conduzir correntes em torno de 10 a 80 kA, mas existem registros em torno de 250 kA[2], sendo que um raio trabalha com uma tensão elétrica da ordem de 10 MV. A forma da corrente é unidirecional, sendo de polaridade negativa na maioria das ocorrências. A corrente de um impulso atinge seu máximo em 5μs, em média, tendo uma duração total do impulso em torno de 100μs. A duração total da descarga varia entre 0.1 a 1000 ms. Uma descarga pode liberar entre 1 a 40 C de carga elétrica e podendo dissipar uma potência elétrica de até 100 MW.
[editar]Formação das descargas
A etapa de acúmulo de cargas que alimentam a descarga é pouco conhecido e de difícil medição, devido ao próprio fenômeno interferir violentamente em qualquer instrumento. Mas o princípio básico é relativamente conhecido[3]:
Na formação da nuvem, ocorrem ciclos de estado da água, que ascende até o topo da nuvem, passa para forma de gelo (incluindo neve e granizo), caindo e voltando para o estado líquido. Neste ciclo ocorre a troca de cargas entre as partículas de água, havendo desequilíbrio e concentrações. Notavelmente observa-se um centro de cargas negativas na parte inferior da nuvem, seguido por um centro de cargas positivas na parte central.
Animação mostrando a interação de cargas elétricas que formam um raio.
Em um limiar de concentração de cargas, e consequentemente a concentração de campo elétrico, ocorre o efeito de avalanche de Townsend, no qual cargas elétricas são liberadas, chocando-se com outras partículas, realizando um encadeamento do processo que irá ionizar o ar. Juntamente com a avalanche, o meio é ionizado pela própria radiação que emite (fotoionização), no qual alimentará a formação de núcleos que formarão o canal da descarga.
A ionização propaga-se em direção ao solo, tendo o nome de precursor descendente. Eventualmente, as cargas elétricas do solo serão induzidas, no qual formarão um processo similar de ionização, chamado de precursor ascendente.
A formação do canal assume um caminho tortuoso, pois é altamente probabilístico (pequenas variações de partículas e cargas no ar), além de assumir ramificações.
Eventualmente os precursores ascendente e descendente se encontrarão, fechando desta forma um circuito elétrico entre nuvem e solo. Neste instante ocorre a fase intensa da descarga, no qual o canal será violentamente aquecido, transformando-se em plasma, elevando desta forma sua condutividade elétrica e possibilitando sustentar a corrente elétrica.
Após a condução parcial da carga elétrica da nuvem, na forma de um impulso rápido, o canal conduzirá uma corrente menos intensa, chamada corrente de continuidade. A seguir, canal se resfriará, finalizando o primeiro impulso.
É comum a ocorrência de novos impulsos pelo mesmo canal de descarga, após um intervalo da ordem de 10 ms. A duração total da descarga, entre impulsos e intervalos, pode chegar a 1 s.
Parte da energia dos raios é consumida na formação do ozônio, na qual 3 moléculas de oxigênio se unem para formar duas de ozônio. Basicamente toda camada de ozônio existente em volta do planeta foi formada utilizando-se da energia dos raios (plasma)