Raio (meteorologia)
Raio ou descarga elétrica atmosférica (DEA) é uma descarga elétrica de grande intensidade que ocorre na atmosfera, entre regiões eletricamente carregadas, e pode dar-se tanto no interior de uma nuvem (intranuvem), como entre nuvens (internuvens) ou entre uma nuvem e a terra (nuvem-solo). O raio vem sempre acompanhado do relâmpago, e do trovão, além de outros fenômenos associados. Embora as descargas intranuvem e internuvens sejam mais frequentes, descargas nuvem-solo são de maior interesse prático para os seres humanos. A maior parte dos raios ocorre na zona tropical do planeta e principalmente sobre as terras emersas, associados a fenômenos convectivos dos quais, quando é intensa a atividade elétrica, resultam as trovoadas.
É provável que os raios estivessem presentes na Terra bem antes do surgimento dos primeiros seres vivos, há mais de três bilhões de anos.[nota 1] Além disso, os raios provavelmente foram fundamentais para a formação das primeiras moléculas orgânicas, essenciais para o surgimento das primeiras formas de vida. Desde o início da história escrita, os raios foram motivo de fascinação para o ser humano. O fogo que produziam quando atingiam a terra era utilizado para se aquecer durante a noite, além de manter os animais selvagens afastados. Por isso, o homem primitivo procurava respostas para explicar esse incrível fenômeno, criando superstições e mitos que foram incorporados às primeiras religiões.
Importância biológica
A partir da formação da Terra, as elevadas temperaturas da sua crosta foram responsáveis por grandes e permanentes tempestades que mantiveram-se intensas e frequentes, dando origem aos oceanos. A água, conforme executava seu ciclo, carregava consigo elementos químicos, como carbono e nitrogênio, que acumulavam-se nos mares primitivos. Raios ultravioleta e raios foram, possivelmente, essenciais na combinação destes compostos inorgânicos e sua transformação em aminoácidos, componentes essenciais para o surgimento da vida tal como conhecemos. Descargas elétricas são a principal fonte abiótica de nitritos e nitratos, essenciais para a vida das plantas. Os vegetais não são capazes de utilizar diretamente nitrogênio atmosférico, de forma que estes precisam ser transformados em outros compostos nitrogenados. Os raios são os responsáveis por tais reações químicas, mantendo, assim, o ciclo do nitrogênio.
Visões mitológicas
Os povos antigos criaram inúmeras lendas para explicar o surgimento dos raios. No Antigo Egito, acreditava-se que o deus Tifão arremessava os raios sobre a terra. Um documento da Mesopotâmia datado de 2300 a.C. mostra uma deusa no ombro de uma criatura alada e segurando um punhado de raios em cada mão. Atrás dela estava o deus que controla o tempo meteorológico criando os trovões com um chicote. Os raios também são a marca da deusa da mitologia chinesa Tien Mu, que é uma das cinco dignitárias do "Ministério das tempestades", que é comandado por Lei Tsu, o deus do trovão. Na Índia, os textos Vedas descrevem como Indra, o filho do Paraíso e da Terra, carregava trovões em sua biga.
Pesquisas científicas
Nas culturas de matriz europeia, a primeira explicação de cunho científico que se conhece foi escrita pelo filósofo grego Aristóteles, no século III a.C., atribuindo a trovoada à colisão entre nuvens e o raio ao incêndio de uma exalação ejetada pelas nuvens. Entretanto, os primeiros estudos sistemáticos foram feitos somente em 1752, numa pequena vila próximo à Paris, quando Thomas-François Dalibard atraiu faíscas por meio de uma alta haste de ferro que estava isolada do solo por garrafas de vidro. Esse experimento comprovou a natureza elétrica da descarga. Posteriormente inúmeros ensaios foram realizados, um dos mais conhecidos feito por Benjamin Franklin, que utilizou pipas e balões para erguer fios condutores, que geravam faíscas graças ao campo elétrico existente. Esses experimentos eram bastante arriscados, pois se uma descarga elétrica atingisse o fio condutor, a pessoa que o estivesse segurando possivelmente morreria. Entretanto, isso aconteceu somente uma vez em 1753, na Rússia, mesmo sem a pessoa estar em contato direto com o fio condutor.
Os raios, que na maioria das vezes estão associados a tempestades, são uma gigantesca faísca de eletricidade estática, através da qual um canal condutivo forma-se e cargas elétricas são transferidas. O tipo mais comum de raio ocorre no interior das próprias nuvens, embora ocorram descargas entre duas nuvens, entre a nuvem e o ar e entre a nuvem e o solo. Tudo depende de como as cargas elétricas distribuem-se no interior das nuvens. Em geral, distribuições de cargas em nuvens convectivas geram um intenso campo elétrico. No topo da nuvem, que do tipo cúmulo-nimbo são de forma achatada e se estendem horizontalmente, acumulam-se as cargas positivas nos pequenos cristais de gelo provenientes das correntes de convecção. No centro, geralmente em uma faixa onde a temperatura situa-se entre -20 e −10 °C, as cargas negativas encontram-se em excesso. Os dipolos formados possuem, cada um, dezenas de coulombs, separados entre si por poucos quilômetros verticalmente. Na base da nuvem forma-se tipicamente uma pequena região de cargas positivas, cuja carga não excede alguns poucos coulombs. Em tempestades mais desenvolvidas, a distribuição elétrica é muito mais complexa.
Eletrização da nuvem
Para que ocorra uma descarga elétrica, é necessário que a nuvem possua um grande campo elétrico em seu interior, que provém da mudança de distribuição das cargas, ocorrendo, assim, a eletrificação da nuvem. Não se conhece com exatidão como transcorre este processo, embora alguns conceitos e premissas básicas sejam necessárias para sua ocorrência. Os modelos de eletrização são divididos em convectivos e por colisões. De acordo com o modelo de eletrização convectiva, as cargas elétricas iniciais são provenientes de um campo elétrico preexistente, antes do desenvolvimento da nuvem de tempestade. Conforme a nuvem de tempestade se desenvolve, íons positivos se acumulam no interior da nuvem, o que induz o aparecimento de cargas negativas em suas bordas. Como no interior da nuvem os ventos são para cima, nas bordas surgem correntes de ar em direção oposta, que levam as cargas negativas induzidas para a base da nuvem, surgindo assim duas regiões eletricamente distintas. Com o desenvolvimento do processo a nuvem se torna capaz de atrair novas cargas por si só, o que proporciona a ocorrência de descargas elétricas. Embora demonstre a importância da convecção no processo de eletrização, este modelo não descreve satisfatoriamente a distribuição de cargas tanto no início da tempestade quanto em longo prazo.
Descarga
Sob condições normais a atmosfera é um bom isolante elétrico. A rigidez dielétrica do ar no nível do mar chega a três milhões de volts por metro, mas se reduz gradualmente conforme a altitude sobretudo devido ao ar rarefeito. Contudo, conforme ocorre a separação de cargas da nuvem transcorre, o campo elétrico se torna cada vez mais intenso, até o momento em que o ar não mais consegue conter o fluxo de cargas. Dessa forma, surge um caminho condutivo de plasma pelo qual as cargas elétricas podem circular livremente formando, assim, a descarga elétrica denominada raio. A descarga tem início quando ocorre a primeira quebra da rigidez dielétrica do ar, a partir da região ocupada por cargas negativas no interior da nuvem, através da qual surge um caminho pelo qual as cargas fluem livremente. O canal precursor da descarga segue em direção à pequena concentração de cargas positivas na base da nuvem. Com isso, uma grande quantidade de elétrons desloca-se para a parte inferior da mesma, enquanto o canal continua a se estender para baixo, agora rumo ao solo. Este canal precursor da descarga avança em etapas, cada uma com cinquenta metros de comprimento a cada cinquenta microssegundos. Este canal precursor geralmente ramifica-se e possui luminosidade extremamente baixa, sendo que uma mínima quantidade de luz é emitida somente a cada salto de descarga. Em média uma carga de cinco coulombs de cargas negativas acumula-se no canal ionizado de forma uniforme, sendo que a corrente elétrica é da ordem de cem ampères.
Os raios manifestam-se sob uma diversidade de formas, de acordo com sua trajetória. Os mais comuns são os que ocorrem dentro da própria nuvem e os que conectam-se entre a nuvem e o solo, além dos raios entre duas nuvens. Usualmente surgem de forma intensa e brilhante, por vezes produzindo o efeito estroboscópico. Ao ser observado a distância, sua luminosidade propaga-se por toda a nuvem e através do céu, embora não possam ser ouvidos trovões. A luminosidade de um raio pode ser percebida a várias dezenas de quilômetro de distância. Este tipo é denominado relâmpago de calor, já que associa-se tipicamente às tempestades de verão situadas ao longe, próximas ao horizonte. Quando ocorre dentro das nuvens, um relâmpago é capaz de iluminá-las por completo, criando uma aparente luminosidade que se espalha por todo o céu. Eventualmente descargas intranuvem manifestam-se sob a forma de canais extremamente ramificados que se espalham horizontalmente nas regiões mais altas da nuvem cúmulo-nimbos, estendendo-se por grande parte da mesma. Raios que se distribuem horizontalmente geralmente aparentam se mover mais lentamente que a média. Em descargas entre a nuvem e o solo, é possível a ocorrência de descargas cuja forma lembra a de uma fita. Isto é provocado por fortes ventos que são capazes de mover o canal ionizado e então, a cada descarga, parece mover-se lateralmente, formando segmentos paralelos entre si.
A descarga produz radiação eletromagnética com várias frequências, inclusive luz visível, ondas de rádio e radiação de alta energia, que caracterizam os relâmpagos. O aumento da temperatura no canal do raio, por outro lado, origina ondas sonoras que formam o trovão. A variação do campo elétrico da descarga origina ainda outros tipos de fenômenos transientes na alta atmosfera. Tipicamente, os raios ocorrem em maior número durante as trovoadas, um tipo de tempestade com grande ocorrência de descargas elétricas. Quando a descarga cai diretamente sobre um solo arenoso, a imensa temperatura provoca o derretimento de suas partículas que, cessada a corrente, fundem-se e formam o fulgurito, cujo formato adquirido corresponde ao trajeto da descarga no solo. Por conservarem a geometria da trajetória percorrida pelo raio que fundiu os silicatos da rocha, popularmente essas amostras petrificadas que testemunham a ocorrência passada de uma descarga elétrica atmosférica são conhecidas como "raios fossilizados".
Trovão
As ondas sonoras provocadas por uma descarga atmosférica caracterizam o trovão. Surgem a partir da rápida expansão de ar devido ao aquecimento no canal de descarga. A frequência estende-se na faixa de poucos hertz a alguns quilohertz. O intervalo de tempo entre a observação do relâmpago e a percepção do trovão são diferenciadas pelo fato de que a luz viaja muito mais rápido que o som, que possui velocidade de 340 metros por segundo. Quando o raio ocorre a menos de cem metros de um ouvinte, o trovão apresenta-se como uma súbita onda sonora de grande intensidade que dura menos de dois segundos, seguida por um forte estrondo que dura por vários segundos até se dissipar. A duração do trovão depende do formato do raio, sendo que as ondas sonoras propagam-se em todas as direções a partir de todo o canal, resultando na grande diferença entre a parte mais próxima e a mais distante do ouvinte. Pelo fato de que a atmosfera atenua as ondas sonoras, os trovões associados a descargas que ocorrem a grandes distâncias se tornam inaudíveis ao percorrer alguns quilômetros e, assim, perderem energia. Além disso, o fato de tempestades ocorrerem em zonas de instabilidade atmosférica favorece a dissipação da energia sonora.
Radiação de alta energia
Os raios produzem radiação nas mais variadas faixas do espectro eletromagnético, desde frequências ultrabaixas, passando pela luz visível até raios X e gama. As últimas são de alta energia, e surgem a partir da aceleração dos elétrons no intenso campo elétrico do momento da descarga. Os dois tipos de radiação sofrem atenuação pela atmosfera, sendo que os raios X ficam restritos próximo ao raio, enquanto que raios gama, apesar de ter sua intensidade drasticamente reduzida conforme a distância, podem ser detectados tanto do solo quanto de satélites artificiais. Comumente associa-se às tempestades a ocorrência de relâmpago de raios gama terrestre, emissões de alta intensidade na alta atmosfera terrestre. Satélites, como o AGILE, monitoram a ocorrência deste fenômeno, cerca de dezenas de vezes todo o ano.
Ressonância de Schumann
Entre a superfície da Terra e a ionosfera, a algumas dezenas de quilômetros de altura, forma-se uma cavidade dentro da qual radiação eletromagnética de frequência extremamente baixa (da ordem de poucos hertz) ficam presas. Como consequência, circulam todo o globo por várias vezes até se dissiparem. Os raios produzem radiação nesta faixa de frequências, por isso são as principais fontes para a manutenção deste fenômeno denominado ressonância Schumann. A sobreposição da radiação emitida a todo o momento e as posteriores ressonâncias produzem picos de radiação que são determinados. O monitoramento da ressonância Schumann é um importante método para acompanhar a atividade elétrica do planeta ligada á tempestades e, assim, pode ser utilizada em análises climáticas globais.
Eventos luminosos transientes
Na alta atmosfera terrestre, acima das nuvens de tempestades, ocorrem emissões com características diversas, denominadas coletivamente como eventos luminosos transientes. Embora se estendam por dezenas de quilômetros na estratosfera e mesosfera, é praticamente impossível observá-los a olho nu devido, sobretudo, a sua baixa luminosidade. Contudo, câmeras instaladas em aviões, satélites ou mesmo em terra, mas apontadas para tempestades próximas ao horizonte, são capazes de comprovar a existência deste fenômeno. Atribui-se a origem estes fenômenos à excitação dos elétricos pela variação do campo elétrico, sobretudo quando ocorre uma descarga nuvem-solo.
A técnica mais antiga para se analisar os raios, utilizada desde 1870, é a espectroscopia, que consiste na decomposição da luz em diferentes frequências. Graças a esse método, descobriu-se a temperatura no interior da descarga, bem como a densidade de elétrons do canal ionizado. Existem ainda os sistemas de dispositivos utilizados a partir de 1920 que possuem como princípio a detecção da radiação eletromagnética proveniente do raio que permitem determinar, além da localização, a sua intensidade e forma. Em locais onde é grande a incidência de raios, especialmente em torres e topos de montanhas, instala-se aparelhos capazes de medir diretamente a corrente elétrica incidente. A utilização de câmeras fotográficas voltada para pesquisas permitiu a análise sistemática das etapas transcorridas durante uma descarga elétrica. Dada os curtíssimos intervalos de tempo no qual ocorre um raio, câmeras de alta velocidade foram fundamentais para detectar os intervalos de tempo em que as cargas rompem a rigidez dielétrica do ar e transferem as cargas elétricas entre duas regiões, principalmente após compararem-se as imagens com a variação do campo eletromagnético. Em estruturas altas, como edifícios e torres de comunicação, são instalados sensores que permitem avaliar diretamente a quantidade de cargas que a atravessa durante uma tempestade. Para o monitoramento de descargas em uma grande área, foram criadas redes de sensores estrategicamente instalados de forma a detectar precisamente a localização das ondas eletromagnéticas que emanam das descargas. Entretanto, a partir do envio de satélites capazes de contabilizar todas as descargas em uma escala global foi possível obter a real dimensão da atividade elétrica do planeta.
Por meio de observações de satélite é possível estimar a quantidade de raios que ocorrem em todo o mundo. Em média, entre cinquenta e cem raios acontecem a cada segundo em todo o planeta, o que resulta entre um e três bilhões de raios por ano[nota 3], sendo que mais de noventa por cento deles distribuem-se sobre terras emersas. Os dados obtidos por meio de instrumentos comprovam que a maior parte dos raios acontece em regiões tropicais e subtropicais, principalmente na África Central, no sul e sudeste da Ásia, no centro da América do Sul e no sul dos Estados Unidos. A Bacia do Congo possui uma elevada quantidade de raios com vários locais, especialmente em Ruanda, em que a densidade de descargas ultrapassa oitenta ocorrências por quilômetro quadrado por ano. Estruturas altas tendem a receber mais descargas. Como exemplo, o Empire State Building, em Nova Iorque, é atingido cerca de vinte vezes por ano, mais da metade sendo descargas solo-nuvem. O monumento do Cristo Redentor, na cidade do Rio de Janeiro, recebe em média seis descargas todo o ano. Nas regiões polares norte e sul, por outro lado, descargas elétricas são praticamente inexistentes.
Frequentemente raios caem sobre o solo, portanto, obras de infraestrutura desprotegidas estão sujeitas aos danos advindos das descargas elétricas. A extensão dos danos causados depende grandemente das características do próprio local da descarga, especialmente sua condutividade elétrica, além da intensidade da corrente e da duração do raio. Ondas acústicas costumam ocasionar danos relativamente pequenos, como a quebra de vidraças. Ao atingir um objeto, a corrente elétrica aumentará enormemente sua temperatura, de forma que materiais combustíveis oferecem riscos. Linhas de transmissão de energia são elementos vulneráveis, existindo inúmeros casos de apagões, dentre os mais notáveis o apagão em Nova Iorque de 1977 e os apagões de 1999 e de 2009 no Brasil e Paraguai.
Proteção
A rede de transmissão de energia elétrica é um dos componentes mais vulneráveis à ocorrência de raios. A queda de uma descarga na linha de transmissão transmite picos de alta tensão por longas distâncias, danificando severamente aparelhos elétricos e criando riscos aos usuários. No entanto, a maior parte dos danos a equipamentos surge a partir dos efeitos da indução eletromagnética, em que a descarga, ao passar por um condutor próximo a um fio de transmissão, induz o surgimento de correntes e voltagens de pico. Indução eletrostática oriunda do fluxo de cargas no momento do contato do raio originam faíscas e picos de voltagem que podem ser perigosos dependendo das circunstâncias. Cabos no subsolo também estão sujeitos ao surgimento de correntes indesejadas. Equipamentos de proteção buscam dissipar a corrente elétrica para a terra de forma eficiente. O para-raios é um dos equipamentos mais utilizados, formado por uma haste metálica ligada à terra que busca atrair os raios e conduzi-los de forma segura.
Fatalidades
Não há dados confiáveis em relação à quantidade de fatalidades que ocorrem em todo o mundo, uma vez que muitos países não contabilizam este tipo de acidente. Contudo, a zona de risco encontra-se entre os trópicos, onde vivem cerca de quatro bilhões de pessoas. No Brasil morreram 81 pessoas atingidas por descargas elétricas em 2011, sendo que um quarto delas estavam na região Norte. Segundo os pesquisadores do INPE, o número de mortes está diretamente relacionado com falta de informação. Na Região Sudeste, por exemplo, o número de mortes tem diminuído, mesmo com o aumento da incidência de raios. No país, a maioria das pessoas atingidas estavam no campo realizando atividades agropecuárias e utilizando objetos metálicos, como enxadas e facões. A segunda causa principal foi a permanência próximo de veículos e a utilização de moto ou bicicleta durante uma tempestade.
No Brasil, a incidência de raios em fazendas gera prejuízo a criadores de gado. Uma pesquisa do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) mostrou que em dez anos, 2.973 animais foram mortos no campo por raios. O estado com maior perda foi Mato Grosso, com 437 animais mortos. O INPE acredita que o número pode ser maior, devido a subnotificação em áreas mais remotas. Estima-se que o prejuízo no período foi de 15 milhões de reais.
Em 25 de junho de 2020, a Organização Meteorológica Mundial anunciou o registro de dois recordes de raios: o mais extenso em distância percorrida, e o mais longo em segundos, chamados de megaflashes. O recorde de raio mais extenso, no estado do Rio Grande do Sul, no sul do Brasil, percorreu 709 km numa linha horizontal, cortando o norte do estado, em 31 de outubro de 2018, tendo mais que o dobro do recorde anterior, registrado no estado de Oklahoma (Estados Unidos), com 321 km. O raio com mais longa duração registrado ocorreu na Argentina, durando 16,73 segundos, a partir de um flash que começou no norte do país, em 4 de março de 2019, também sendo mais que o dobro do recorde anterior, de 7,74 segundos, registrado em Provence-Alpes-Côte d'Azur, França, em 30 de agosto de 2012. Novos recordes de extensão e tempo de duração de raios foram divulgados em fevereiro de 2022. Um raio que percorreu 768 km nos Estados Unidos bateu o recorde de maior do mundo para esse tipo de fenômeno, anunciou a Organização Meteorológica Mundial. O raio cruzou três estados do sul do país (Texas, Louisiana e Mississippi) em 29 de abril de 2020. A agência da ONU também validou o recorde de raio de maior duração, durante uma tempestade elétrica no Uruguai e na Argentina. O raio durou 17,102 segundos, ocorrido em 18 de junho de 2020, superando o recorde anterior, no norte da Argentina, em 4 de março de 2019.
Além das tempestades, as erupções vulcânicas são uma origem comum de raios. Durante a erupção, as partículas das cinzas vulcânicas colidem entre si, o que gera atrito e consequentemente o acúmulo de cargas elétricas. Observa-se que a maior atividade elétrica está diretamente associada ao tamanho da nuvem de cinzas. Entretanto, tais descargas elétricas ficam tipicamente confinadas dentro da nuvem, poucos deles atingindo regiões mais afastadas. Apesar disso, representam uma grande fonte de interferência para radiotransmissões e por vezes originam incêndios florestais na montanha. A intensidade das descargas associa-se diretamente à intensidade da erupção. Em virtude de explosões termonucleares podem surgir descargas elétricas. Estas tipicamente apresentam-se transferindo elétrons do solo para a atmosfera formando canais ionizados com quilômetros de comprimento. Não se conhece a origem deste fenômeno, mas possivelmente está ligada a emissão radioativa da explosão. Há ainda relatos de raios originados a partir de nuvens provenientes de grandes incêndios.
