O que é um raio

O Brasil tem a maior incidência de raios do mundo. São 77,8 milhões de raios por ano.  O Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT) ligado ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais  (Inpe) mantém um site no qual se pode acompanhar o mapa de raios que caem no Brasil em tempo real, além de várias pesquisas sérias sobre o assunto. Vejamos a seguir, como os raios são gerados, por que matam tantas pessoas pelo mundo, e como evitar mais mortes.

Quando era criança, acreditava que os trovões eram o resultado de duas nuvens que se chocavam: a colisão delas produziria os raios. É uma imagem simpática, mas errônea, como muitas outras explicações encontradas na mitologia antiga, e na internet atual. 

Na verdade, o raio é uma descarga elétrica resultante da atração entre cargas positivas, existentes no solo, e negativas, acumuladas nas nuvens. Essa força produz um grande aquecimento do ar que, por sua vez, resulta em dois fenômenos concomitantes. Um deles é uma grande luminosidade e o outro é o trovão, uma onda sonora gerada pelo deslocamento de ar muito quente.

Como a velocidade da luz (300.000.000 m/s) é muito maior do que a velocidade do som no ar (343 m/s), a imagem do raio chega bem antes aos nossos olhos do que o estrondo, aos nossos ouvidos. O trovão pode atingir o nível sonoro de até 120 dB, equivalente a uma turbina de avião; e a corrente elétrica é, em geral, da ordem de 30.000 A(equivalente a 60 mil lâmpadas de 50 W ou 30 mil lâmpadas de 100 W), mas pode chegar a 200.000 A ou até 300.000 A (equivalente a 200 ou 300 mil lâmpadas de 100 W). O “A” é a abreviação de Ampère, a unidade usada para medir a intensidade de correntes elétricas.

O processo de formação das nuvens, a partir da condensação do vapor de água na atmosfera, junta partículas de gelo, água e granizo, que podem colidir entre si, gerando a eletrificação no interior das nuvens. Em geral, cargas positivas se acumulam na parte superior das nuvens e cargas negativas na sua parte inferior, propiciando descargas elétricas no seu interior.

Essas pequenas descargas induzem cargas opostas no solo e, então, vêm os raios que chegam a tocar o chão, e podem ser descendentes (da nuvem para o chão) ou ascendentes (do chão para a nuvem). O leitor mais interessado pode encontrar explicações detalhadas sobre esse processo neste link e algumas curiosidades aqui e aqui.

Cargas elétricas positivas e negativas se atraem, e buscam percorrer o menor caminho possível para se tocar. Um dos efeitos conhecidos do eletromagnetismo clássico é o “poder das pontas”, que diz que o campo elétrico torna-se mais intenso na vizinhança de uma ponta e, portanto, tende a concentrar as cargas nas regiões mais pontiagudas de um condutor [1].

Justamente por causa desse efeito, sempre que houver alguma ponta num ambiente um pouco mais plano, esse será o caminho escolhido pelas cargas para se juntarem. É comum que raios atinjam árvores, por exemplo. O Cristo Redentor, no Rio de Janeiro, recebe cerca de 6 raios por ano . Agora, imaginemos um jogador num campo de futebol ou um turista numa praia durante uma tempestade. Nosso corpo é basicamente água e sal e, portanto, um bom condutor elétrico.  Conclusão óbvia: somos o caminho ideal para a passagem da descarga elétrica.

Também por essa razão, os para-raios são instalados em prédios altos, para que favoreçam ainda mais  a passagem da descarga elétrica pela ponta e assim, asseguram, por meio de um aterramento eficiente, que ela escorra diretamente para a terra e não afete pessoas e instalações elétricas que se encontram próximas.

Portanto, nunca, jamais, em hipótese alguma, teste a sua sorte passeando ou ainda pior, nadando, numa praia durante uma tempestade. Também não se esconda da chuva embaixo de árvores, pontos de ônibus, tendas ou guarda-sóis.

E não jogue futebol na hora da chuva.  Não contribua com a estatística de mortes por raios.

Débora Peres Menezes é Professora Titular do Departamento de Física da Universidade Federal de Santa Catarina, atual representante brasileira na Comissão de Física Nuclear (C12) da International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP), membro do Comitê Gestor do INCT – Física Nuclear e Aplicações e Presidente do Grupo de Trabalho sobre Questões de Gênero da Sociedade Brasileira de Física. Foi Pró-Reitora de Pesquisa e Extensão da UFSC de 2008 a 2012.

NOTA:

[1] NUSSENZVEIG, Herch Moisés. Curso de Física Básica 3 Eletromagnetismo, São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda.

O Raio

Na linguagem popular, raio é a descarga elétrica; relâmpago é o clarão intenso causado pela descarga e trovão é o barulho que se escuta após a ocorrência do raio. Adotaremos essa terminologia para descrever como é um raio. A maioria dos raios ocorre dentro da própria nuvem ou de uma nuvem para outra. Contudo, vamos nos limitar a descrever os raios entre a nuvem e o solo, já que somente estes atingem os pára-raios. Alertamos que este é um assunto ainda em pesquisa, assim sendo, o que for dito a seguir não é verdade absoluta, são apenas os fatos e conhecimentos atuais.

No tópico nuvens de tempestade vimos como as cargas estão separadas dentro destas nuvens. As cargas negativas na base da nuvem induzem (atraem) cargas positivas no solo, resultando no surgimento de um intenso campo elétrico entre a nuvem e a terra. Esse campo elétrico pode gerar um campo elétrico tão intenso que pode transformar o ar de isolante em condutor possibilitando que alguns elétrons, cargas negativas, comecem a se mover da nuvem para o solo. A figura abaixo demonstra uma seqüência dos acontecimentos do tipo mais comum de raio.

O processo ilustrado acima ocorre tão rapidamente que na maioria dos casos o olho humano não consegue distinguir suas etapas.

Esse percurso em zig-zag é chamado de "líder escalonado". "Líder" porque abre caminho para outros elétrons e "escalonado" porque é uma seqüência de degraus. O módulo da velocidade desses elétrons é altíssima, aproximadamente 100.000,00 m/s. Alguns elétrons podem se separar do trajeto principal, formando ramificações.

Como ilustrado na animação a seguir, o raio se inicia com uma descarga elétrica que parte da nuvem até próximo ao solo. Essa descarga provoca mais ionizações no ar ao longo de seu percurso, e a região entre a nuvem e o solo passa a conduzir mais facilmente a corrente elétrica. Quando a ponta do líder chega a alguns metros (entre 20 m e 50 m) do solo, uma descarga, chamada "descarga de conexão", inicia-se de algum local do solo fechando o circuito (caminho), formando um "fio condutor" que liga a terra à nuvem. Ao se estabelecer esta conexão, as cargas elétricas no solo sobem em direção à nuvem. Essa descarga, do solo para a nuvem apresenta grande luminosidade e intensa corrente elétrica, ou seja, é ela que cria o relâmpago. Todo este processo de descargas elétricas, raios e relâmpagos, aquecem o ar, provocando sua expansão que se propaga em forma de uma onda sonora, originando o trovão.

Depois dessa descarga inicial (do primeiro raio), outras descargas secundárias (outros raios) costumam ocorrer, aproveitando o mesmo caminho aberto pelo líder. São de menor intensidade e ocorrem depois de um tempo tão curto que parecem ser um único raio. Só com câmeras de alta velocidade é possível distinguir as várias descargas.

No dia a dia, alguns conceitos ajudam a entender a diferença entre raios e outros fenômenos meteorológicos. Raios são descargas elétricas de grande intensidade que ocorrem na atmosfera, conectando o solo e as nuvens de tempestade. Já os relâmpagos são descargas elétricas produzidas por nuvens de tempestades, que se conectam ou não ao solo. Trovão, por sua vez, é o som gerado pelo rápido aquecimento e expansão do ar na região da atmosfera onde a corrente elétrica do raio circula.

Campeão mundial em incidência de descargas elétricas, o Brasil registrou uma média anual de 77,8 milhões de raios entre os anos de 2000 e 2006. Esse levantamento foi feito por meio da rede BrasilDAT Dataset, que integra diversas tecnologias de detecção de raios em superfície e permite identificá-los com maior precisão.

De acordo com informações do Grupo de Eletricidade Atmosférica (Elat), do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), a explicação para essas estatísticas é geográfica. O Brasil é o maior país da zona tropical da Terra, área central onde o clima é mais quente e mais favorável à formação de tempestades e ocorrência de raios.

Segundo o Inpe, o fenômeno provoca prejuízos anuais de US $200 milhões ao Brasil. Os raios afetam as linhas de transmissão de energia, de telefonia, as indústrias; causam incêndios florestais e matam pessoas e animais.

A intensidade típica de um raio é de 30 mil amperes, ou seja, o equivalente a cerca de mil vezes a potência de um chuveiro elétrico. O raio se forma dentro das nuvens de tempestade – as Cumulonimbus –, a partir das cargas elétricas geradas pelo choque de partículas de gelo. Quando essas cargas atingem certa quantidade, surge uma faísca que dá início a um raio. À medida que essa faísca se aproxima do solo, ocorre uma descarga do solo para a nuvem, principalmente em objetos pontiagudos e em pontos com maior condutividade elétrica, tais como artefatos metálicos. Quando ambas se unem, ocorre o raio.

Urbanização crescente

Estudos comprovam uma visível elevação da incidência de raios em áreas urbanas, quando comparadas a regiões vizinhas. Essas ocorrências estão diretamente associadas à expansão da urbanização e ao consequente aumento de temperatura nas grandes cidades, com a formação de ilhas de calor.

Quando a temperatura do ar sobe, a quantidade de vapor de água presente na atmosfera também aumenta, fazendo com que mais nuvens de tempestade se originem. Segundo especialistas do Inpe, para cada um grau de aumento na temperatura há elevação de 15% no potencial de geração de tempestades severas.

A chance de uma pessoa ser atingida por um raio é considerada muito pequena: menor do que um para um milhão, em média. Mas se a pessoa estiver em uma área descampada, sob forte tempestade, essa chance pode aumentar em até um para mil. A corrente do raio pode causar queimaduras e outros danos ao corpo humano. Ainda assim, a maioria das mortes de pessoas atingidas por raio é causada por parada cardíaca e respiratória.

O ranking dos dez estados brasileiros com maior densidade de raios por quilômetro quadrado/ ano é liderado por Tocantins, com 17,1 raios. Essa posição se explica em razão da proximidade com a Linha do Equador, associada à dinâmica da formação de nuvens naquele estado. Em seguida estão: Amazonas (15,8), Acre (15,8), Maranhão (13,3), Pará (12,4), Rondônia (11,4), Mato Grosso (11,1), Roraima (7,9), Piauí (7,7) e São Paulo (5,2).

Saiba como se proteger de raios e evitar prejuízos

Para se proteger de raios e evitar prejuízos, o Inpe indica:

• Se estiver na rua durante tempestades, se abrigue em carros, ônibus e outros veículos não conversíveis, com portas e janelas fechadas; em casas e prédios que tenham proteção contra raios ou em túneis.;
• Evite andar a cavalo ou executar atividades de agropecuária ao ar livre: são as circunstâncias responsáveis pelo maior número de mortes no Brasil;
• Se estiver em casa, desligue aparelhos eletrônicos das tomadas. Evite usar telefone com fio ou celular ligado à rede elétrica. Não fique próximo a tomadas, espelhos, canos, janelas e portas metálicas ou em varandas e sacadas;
• Se estiver na rua, evite segurar ou ficar próximo a objetos metálicos longos (tais como postes de placas de sinalização e grades); empinar pipas e aeromodelos com fio;
• Se possível, evite locais e/ou veículos com pouca ou nenhuma proteção contra raios: celeiros, tendas, tratores, motocicletas ou bicicletas. Não estacione próximo a árvores ou linhas de transmissão de energia elétrica.

Cientistas descobriram que raios e descargas invisíveis que não podem ser vistas por câmeras ou a olho nu produzem grandes quantidades de radicais hidroxila e hidroperoxila. De acordo com os pesquisadores, eles são importantes porque iniciam reações químicas na atmosfera e quebram moléculas de gases do efeito estufa, como o metano. No entanto, mais estudos precisam ser realizados para avaliar a eficiência desse fenômeno no combate às mudanças climáticas.