Raios, relâmpagos e trovões

Raios, um perigo gerado pela natureza. Ocorrem, ao acaso, milhões de vezes por dia. Podem produzir uma temperatura cinco vezes mais quente do que a superfície do Sol. Pessoas são frequentemente atingidas por eles e sobreviver a isto pode ser terrível. Os cientistas, em suas pesquisas para desvendar os segredos dos raios, descobriram que os mesmos estão piorando. O planeta é atingido diariamente por mais de oito milhões de raios. Desta forma eles se transformaram nos maiores assassinos da natureza, atacando aleatória e espontaneamente. Cerca de vinte por cento dos raios atingem o solo. A carga elétrica necessária para produzi-los é gerada pela colisão entre as partículas de gelo. Uma tempestade tem uma energia equivalente a uma pequena bomba atômica. Parte desta é transformada em raios. Quando um raio atinge o solo, procura o melhor caminho possível para a terra. A seiva sob a casca de uma árvore é um condutor ideal. Eles atingem árvores constantemente e quando entram nelas podem vaporizar qualquer coisa material. A pressão causada pela vaporização faz as coisas explodirem. Por isso, a casca é arrancada da árvore e às vezes explode fragmentando-se em vários pedaços. Como conseqüência, as árvores que sobrevivem ficam com cicatrizes permanentes. A vinte e oito mil graus centígrado, cinco vezes mais do que a superfície do Sol, não é de admirar que o raio deixe a sua marca em tudo o que ele toca. Ele pode até transformar areia em vidro, em formações chamadas fulguritos.

O fulgurito apresenta o mesmo diâmetro do canal do raio no ar. Eles são produzidos pela penetração do raio em terreno arenoso. O raio derrete a areia que ao resfriar forma uma estrutura oca com o interior vitrificado. Fulguritos com um comprimento de cinco metros e uma ramificação de quatro metros em um dos lados já foram desenterrados.

Água, gelo e água super resfriada são os ingredientes necessários para a eletrificação de uma tempestade. Uma super célula, constituída por uma tempestade medindo dezenas de quilômetros de largura por quilômetros de profundidade, produz todo tipo de raio imaginável. O show de luzes de uma super célula são na verdade uma distribuição de muitos milhões de volts de eletricidade que ocorrem de nuvem para nuvem e da nuvem para o solo.

Os raios também atingem aviões em pleno vôo. Em média, aviões comerciais são atingidos pelo menos uma vez por ano. No entanto os passageiros e tripulação destes não sofrem os efeitos nocivos dos raios em seus corpos pois a carcaça metálica do avião atua como uma gaiola de Faraday. Nela, a eletricidade fica confinada a sua superfície externa, preservando o seu interior.

O raio e o corpo humano

Se um raio pode transformar areia em vidro, vaporiza a seiva de uma árvore, que efeito poderá causar no corpo humano que possui setenta e cinco por cento de água na sua constituição? Cerca de cinquenta por cento das pessoas atingidas por raio conseguem sobreviver. Você pode achar que a corrente do raio entra no corpo e vaporiza os órgãos, despedaçando-o, mas isto não é isto que acontece. Revestindo um manequim com material condutor, os efeitos do raio podem ser ilustrados graficamente. O raio segue naturalmente o caminho que melhor o conduzirá até o solo. Nos caso dos seres humanos este caminho é a fina camada de transpiração que cobre o corpo. Em vez de despedaçar o corpo, o raio flui pela sua superfície com uma corrente média de trinta mil ampéres. Ele deixa graves marcas de queimaduras e traumas. As estatísticas nos Estados Unidos mostram que é mais provável ser atingido por um raio se estiver jogando golfe, no mês de julho em um campo na Flórida. Anualmente são registrados vinte milhões de raios em solo americano e em média, cem pessoas são mortas e outras mil são feridas. Nenhum lugar ao ar livre é seguro quando se trata de raios.

A Dra. Mary Ann Cooper tornou o estudo das lesões por raios a sua especialidade. Este é um assunto pouco entendido.

"Uma coisa que observamos com as queimaduras causadas pelos raios é que elas não são causadas diretamente pelo raio, mas pelo que ele faz à superfície do corpo, transformando a água da chuva ou suor em vapor e este é que provoca a queimadura. Por exemplo, se você estiver usando uma camiseta de algodão, o vapor passa através dele, mas se você estiver usando uma jaqueta de couro, o vapor não passa através dela, permanecendo retido e você acaba com queimaduras mais profundas. Uma coisa que vemos quando a água ou suor é transformado em vapor é que ocorre uma enorme expansão. Desta forma meias suadas podem fazer com que o calçado possa ser arrancado ao ser submetido à expansão do vapor formado no pequeno espaço existente entre os pés e o calçado. Ocorre uma verdadeira explosão dentro do calçado."

Um evento desse pode também deixar tatuagens temporárias na pele em forma de raios (abaixo). Qualquer objeto em contato com o corpo pode também causar mais ferimentos. Ferimentos físicos podem ser vistos e tratados mas para uma vítima de raio isto é apenas o começo. São os ferimentos invisíveis que causam sofrimento a longo prazo. Variando desde dores de cabeça, depressão, falta de coordenação, perda de memória e distúrbios do sono.

É muito difícil para sobreviventes de raios viverem com isso porque eles parecem os mesmos por fora, mas podem não estar mais funcionando da mesma forma por dentro. É como se reinicia um computador atingido por uma descarga elétrica. O lado externo do computador parece estar bem, as placas internas também, mas quando você tenta processar os seus arquivos, eles não funcionam mais como antes. Assim como um computador, o corpo humano depende de milhões de impulsos elétricos por segundo para funcionar. O resultado é que as oscilações de energia causadas pelo choque de um raio podem ter consequências devastadoras.

Através da ressonância magnética, a ciência está procurando entender o funcionamento interno do cérebro e observar a ocorrência de anormalidades ocasionadas pelos raios. O cérebro é escaneado em busca de partes fisicamente lesionadas e depois uma série de tarefas de coordenação motora testa alguma anormalidade sutil no modo como o cérebro reage. O paciente tem de ler perguntas projetadas a sua frente e dar a resposta correta usando um botão que ele segura na mão direita. As respostas são gravadas juntamente com as imagens escaneadas do cérebro do paciente no momento exato em que o cérebro processa a pergunta e elabora a resposta. As imagens resultantes são então avaliadas por peritos em análise deste tipo de imagem. Desta forma pode-se obter dados importantes sobre a forma anatômica e resposta comportamental do cérebro. A análise da atividade elétrica do cérebro pode indicar alterações na resposta em relação a um cérebro normal. Para uma pessoa destra, o normal seria a indicação de atividade elétrica no lado esquerdo do cérebro. Uma constatação contrária normalmente é o indicativo de atividade anormal. Pessoas atingidas por raio podem exibir este comportamento, o que caracteriza uma mudança no funcionamento elétrico dos seus cérebros, sem que qualquer alteração visual possa ser percebida.

Se Maomé não vai à montanha ...

O estudo dos raios na natureza é algo bastante difícil pois como já dito anteriormente, eles ocorrem de forma aleatória. Uma forma de contornar esta dificuldade é obtida pela captura de raios. Isto é realizado em instalações apropriadas, tal como no campo Camp Blanding, Flórida, localizada em uma área de grande atividade elétrica. Ali, foguetes conectados a um fio são lançados no meio da tempestade. O foguete sobe até uma altitude de aproximadamente trezentos metros, atuando como um gatilho para provocar a ignição de um raio a partir de nuvens que se situam muito acima deste ponto. É como se o raio houvesse sido disparado contra um edifício de grande altura. É um trabalho perigoso que deve ser executado sob muitas medidas de segurança.

Veja a seqüência abaixo. As três primeiras imagens mostram o foguete sendo disparado.

Com a aproximação de uma nuvem com alto nível de eletrificação o foguete é disparado. Ao encurtar rapidamente a distancia aparente entre a nuvem e o solo, uma descarga elétrica em forma de raio é provocada. Desta forma é então possível que diversas informações sobre os raios sejam capturadas por sensores devidamente instalados.

Setenta por cento dos raios produzidos no planeta ocorrem em regiões tropicais. A média de setecentos milhões de raios anuais causam cerca de duas mil mortes, trinta por cento da falta de energia elétrica e outros prejuízos. O Brasil recebe de cinquenta e setenta milhões de raios por ano. No Brasil, o Centro Internacional de Pesquisas e Testes de Raios Induzidos (Ciptri), o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe) são pioneiros na utilização da técnica de produção de raios por foguete. Construído em 1999, a partir de uma colaboração entre o Grupo de Eletricidade Atmosférica (Elat) do Inpe, Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e empresas no Brasil e no exterior, o Ciptri tornou-se operacional em 2000, quando o primeiro raio artificial foi induzido no país por esta técnica. A operação do Ciptri restringe-se ao período entre meados de novembro e março.

As descargas de retorno de raios artificiais raramente excedem 50 kA, ao contrário dos raios naturais, que já registraram valores tão elevados quanto 250 kA. No Brasil, o maior valor registrado até o momento foi de 45 kA e no mundo, de 60 kA.

Nestas pesquisas foi identificado que os raios também produzem, em grande quantidade, raios-x. Sensores de raios-x são usados para medir a intensidade, a duração e a energia destes. Mas, raios-x não é o único tipo de radiação gerada. Uma explosão de raios gama também acompanha as descargas. Toda a área ao redor do ponto de impacto do raio está sendo bombardeada também com raios-x e raios gama. Os raios gama são uma forma especialmente nociva de radiação que pode provocar câncer. Isto nos leva a necessidade de conhecermos até que ponto estes efeitos podem ser perigosos, especialmente para aqueles que se tornam vítimas sobreviventes a um raio.

Os estudos têm revelado que o alcance deste show de luzes produzidos em uma tempestade com raios é bem maior do que havia antes sido imaginado, chegando bem acima das nuvens. A cerca de quinze anos atrás, os meteorologistas não tinham idéia de que havia atividade elétrica acima das tempestades.

Cinquenta quilômetros acima do solo é um local difícil para se trabalhar. É às vezes chamado de "ignonosfera" justamente por este motivo, é ignorada porque não se pode chegar lá. Acima da tempestade há uma área onde ocorre muita atividade elétrica. Estas são denominadas Sprite. Portanto os Sprites são enormes descargas elétricas que se formam na atmosfera imediatamente acima das tempestades. Os Sprites ocorrem a oitenta quilômetros do solo. A descoberta destes é responsável pela solução de um dos maiores mistérios dos raios. Jatos e Sprites mostraram como os raios distribuem energia pelo planeta inteiro, criando um circuito elétrico global. Agora se sabe que os raios são um fenômeno natural, em uma classe própria, integrando o funcionamento do próprio planeta.

De onde vem o raio?

Nuvens pesadas, exibindo cerca de dez quilômetros de diâmetro na base por cerca de quinze quilômetros de altura, denominadas cumulus-nimbus são as responsáveis pelas grandes tempestades. Nelas, a carga elétrica são acumuladas. O topo das nuvens é positivamente eletrizado, opostamente à carga negativa exibida na base. Veja a figura abaixo. Várias hipóteses a respeito da forma de eletrificação das nuvens foram criadas. Uma delas é de autoria do físico Charles Thomson Rees Wilson (*1), prêmio Nobel de física em 1927.

(*1) C.T.R. Wilson - The Nobel Prize in Physics 1927

(*1) Vendo o Invisível

Uma gota de chuva, se precipitando, por efeito da gravidade, dentro de uma nuvem e sob a influencia de um campo elétrico de 100V/m é submetida a um efeito de polarização pela separação de suas cargas elétricas internas. Sob esta influencia, a extremidade superior da gota se torna negativa em relação à extremidade inferior. Pela ação da interação elétrica entre as gotas eletrificadas e íons presentes na atmosfera obtém-se o seguinte efeito: os íons positivos serão repelidos pela parte inferior da gota (por exibirem carga elétrica de mesma polaridade) enquanto os íons negativos serão atraídos. Desta forma, os íons negativos arrastados pra baixo irão produzir um acumulo de cargas negativas na base da nuvem e em oposição cargas positivas serão acumuladas no topo das mesmas.

O solo, induzido pelas cargas elétricas negativas existentes na base da nuvem, adquire uma carga elétrica positiva. A diferença de potencial entre a nuvem e o solo pode atingir facilmente a casa de milhões de Volts.

Eventualmente, a diferença de potencial, combinada a uma relativa facilidade de deslocamento de cargas elétricas pelo ar, leva ao estabelecimento de um circuito condutivo entre a nuvem e o solo culminando em uma descarga por ruptura dielétrica a qual denominamos de raio.

Observação: Existe a ocorrência de raios entre nuvens, mas não iremos abordá-la.



Como o raio acontece?

Sob certas condições, o ar é um isolante (dielétrico), mas como para todo material isolante existe uma diferença de potencial na qual, para uma determinada espessura deste isolante, ocorrerá uma ruptura do isolamento. Isto acontece, por exemplo, dentro de um componente elétrico denominado capacitor. O capacitor é constituído fundamentalmente, por duas placas condutoras separadas por um material isolante. O aumento gradativo da diferença de potencial entre as placas eventualmente atingirá a tensão de ruptura dielétrica do isolante. Como conseqüência haverá um faiscamento elétrico entre as placas, através do dielétrico que, nesta situação, perde a sua característica isolante. Este faiscamento é de natureza similar a de um raio.

Na atmosfera, o ar representa o material isolante existente entre a nuvem (placa negativa) e o solo (placa positiva) eletrificados. O aumento da diferença de potencial atinge um ponto no qual a rigidez dielétrica do ar é insuficiente para manter o isolamento intacto. Nesta situação, as cargas negativas da nuvem, representadas pelos elétrons acumulados na base, iniciam um processo de deslocamento escalonado em direção ao solo. Este deslocamento ocorre em passos de aproximadamente cinquenta metros por segmento e é denominada de "líder escalonado". Os elétrons se deslocam com cerca de cem quilômetros por segundo. Vários percursos de descida são explorados pelo líder em busca de um caminho de menor resistividade (maior condutibilidade elétrica) em direção ao solo. Esta descarga de baixa intensidade ocorre num curtíssimo intervalo de tempo produzindo um baixo nível de luminosidade. Quando o líder chega, a uma reduzida distancia de alguns metros, a um ponto alto do solo, uma descarga é iniciada a partir do solo em direção ao líder. Esta "descarga de conexão" estabelece então um circuito elétrico formado por um canal condutor através do qual uma quantidade imensa de elétrons se desloca de forma violenta produzindo o raio. A descarga elétrica em forma de um intenso arco produz então um clarão azulado ao qual denominamos de relâmpago. Associada ao violento deslocamento da corrente elétrica pelo ar, ocorre um imenso e repentino aumento da temperatura do ar no canal que pode atingir níveis de temperatura da ordem de trinta mil graus centígrado. Isto provoca uma expansão acelerada do ar e o seu deslocamento supersônico produz uma onda de choque que emite um poderoso som conhecido como trovão. Este primeiro raio é frequentemente seguido por descargas secundárias de menor intensidade que se utilizam do mesmo caminho produzido pelo líder.

Raio Esférico ou Raio Bola

Trata-se de um fenômeno bastante raro. Apresenta-se como uma esfera luminosa. A luminosidade emitida é similar à produzida por uma lâmpada florescente. A cor emitida pode ser branca, amarela, laranja, vermelha ou azul. O diâmetro da esfera pode variar entre 10 e 40 centímetros. Mesmo estando associado às tempestades, este fenômeno não apresenta contato direto com o solo ou a nuvem. A explicação do fenômeno foi proposta pelos cientistas John Abrahamson e James Dinniss, da Nova Zelândia. Ele seria formado por vapor de silício puro, produzido após um raio atingir o solo. À medida que esse vapor esfria, o silício se condensa e assume o formato de uma bola devido à carga elétrica da superfície. O brilho surge do calor do silício interagindo com o oxigênio. Para tentar reproduzir essas condições e testar a teoria proposta, cientistas brasileiros da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) usaram descargas elétricas de 140 ampéres em pastilhas com silício de 350 micrômetros de espessura. Desta forma conseguiram produzir bolas luminosas que se comportam de maneira semelhante à do fenômeno do raio-bola. Os raios obtidos pelos cientistas da UFPE são menores do que os encontrados na natureza. São do tamanho de uma bola de ping-pong e duram cerca de 8 segundos. Na natureza eles podem durar por alguns minutos.

No interior do Brasil, há um fenômeno denominado de "mãe do ouro" e segundo a lenda, seu aparecimento indicaria a existência desse metal no subsolo daquela região. Possivelmente esta seria uma interpretação dada à visualização de um raio esférico.

Mas os raios não causam apenas problemas. Remotamente eles podem ter sido participantes do processo de criação dos elementos químicos de onde a vida surgiu e hoje produzem, em conjunto com o nitrogênio do ar, um fertilizante necessário para as plantas.

Além de serem um perigo direto contra a vida dos seres vivos, constituem também um perigo indireto pois provocam incêndios devastadores por todo o planeta. Mas os botânicos descobriram também que várias espécies de plantas dependem dos raios para se propagarem. As sementes de muitas árvores e plantas só são liberadas quando submetidas ao calor intenso de um incêndio florestal.

Por observações realizadas em laboratório sabe-se que os raios produzem aminoácidos que constituem umas das peças fundamentais da vida. São parte vital do funcionamento do planeta.

O modo de reduzir os riscos provocados pelos raios consiste no uso de pára-raios. Eles não são cem por cento eficazes mas oferecem um aumento na proteção. Através da suas pontas, criam uma área de ar ionizado que oferece um campo de descarga para as nuvens carregadas que entram no seu raio de ação. A descarga deverá ocorrer de uma forma lenta e gradual mas em caso da ocorrência de raios, ele oferece um caminho de baixa resistência que transporta a descarga elétrica diretamente para o solo. O para-raio se vale da propriedade física de que uma ponta de um material condutor de eletricidade produz a ionização do ar circundante a ela quando submetida a um campo elétrico. Devido a este efeito, denominado poder das pontas, uma pessoa se torna um alvo fácil para um raio quando em um campo de golfe. Ela é a própria ponta em um campo gramado aberto. As árvores também estão sujeitas ao mesmo problema e infelizmente, principalmente para elas mesmas, não podem fugir deste perigo.

Por conta dos perigos associados, diversas empresas em todo o mundo tais como a Nasa e as Companhias Elétricas usam sistemas de detecção e mapeamento da atividade elétrica na atmosfera no intuito de proteger os seus equipamentos de acidentes que podem custar milhões, além do risco humano. Estes sistemas de monitoramento têm permitido aos cientistas a obter um mapa preciso da localização dos ataques ao solo produzidos pelos raios gerados pela natureza. Através deles foi possível chegar a uma conclusão preocupante. Algo produzido nas grandes cidades, talvez o calor ou a poluição, tem aumentado significativamente a incidencencia de raios nestas áreas, trazendo mais perigos a um fenômeno que por si mesmo já é terrível.



Relato de pessoas atingidas por raio

Shirley e seu marido Chuck estavam jogando golfe quando ela foi atingida por um raio. A tempestade ocorria a quilômetros dali.

Shirley

"Eu estava saindo do carrinho de golfe quando ouvi um estrondo. Eu disse: está trovejando? Os rapazes que estavam com a gente disseram: não vai chover agora. Veja o céu!
De repente ele veio do nada. Eu não senti nada, não ouvi nada e não vi nada. Quando fui atingida, eu usava uma correntinha no pescoço. O ouro da corrente derreteu e ainda tenho as cicatrizes que parecem ser definitivas. O sapatinho que usava como pingente estava queimado e ficou preso no meu queixo. Quando estavam tirando o raio-x acharam o sapatinho preso em mim e o tiraram. O ouro só é fundido a mil e oitocentos graus e o meu colar sumiu. No lugar onde eu caí, a grama ficou totalmente queimada. O meu corpo, em todo comprimento, ficou queimado. Os raios são selvagens e estão por aí procurando por algo. Entre num prédio ou num carro. Não fique por aí onde você possa ser uma vítima."

Chuck

"De repente nós vimos um clarão e um estalo. Quando eu olhei para trás e Shirley estava caída no chão. Sabia que tinha sido atingida por um raio mas não sabia se ela estava viva ou não."

Gary Walt foi atingido quando trabalhava como guarda florestal nas montanhas do Colorado

"Não foi uma grande tempestade. Nada assim. Peguei a minha mochila com uma mão e fui pegar o forcado. Daí as luzes se apagaram. Meu corpo ardia como se eu estivesse em brasa. Eu não vi fogo nenhum, fumaça nem nada. Mas de dentro para fora, o meu corpo parecia estar pegando fogo. Quando o raio desceu por dentro da minha perna, é o que eu acho, saiu pelo peito do pé e depois deixou várias queimaduras na minha perna e em meu peito eram vários pontos pequenos como marcas de caneta, alguns maiores do que isso. Parece também que ele atingiu o forcado e explodiu esta coisa em pedaços. Mais tarde juntamos os pedaços para tirarmos algumas fotos. Alguns pedaços ficaram pregados no meu rosto e no hospital alguns outros foram expelidos do meu peito mas um destes pedaços ficou atravessado na minha mão"

Hans France foi atingido por um raio enquanto consertava uma linha telefônica. Hans insiste que algo se modificou nele no momento em que foi atingido pelo raio.

"O barulho foi a coisa mais alta que eu já tinha ouvido. Eu não tenho mais audição no ouvido direito e também não sinto mais nada no lado direito do corpo. Minha cabeça parecia que iria explodir. A dor de cabeça era inacreditável. Fiquei de licença do trabalho por três anos e meio. Nos primeiros dois anos eu dormia entre vinte e vinte e duas horas por dia. Era como se tivessem puxado a tomada, me desligado."