Decifrando os Raios                      Edição Nº 20 - janeiro de 2004

A fonte provável da energia que elaborou a vida

Por Osmar Pinto Jr e Iara Cardoso

A indução de raios artificiais pela técnica de foguetes e fios condutores  chegou à região tropical - onde ocorrem cerca de 70% do total de raios do planeta. Esse processo promete desvendar parte de novos  mistérios envolvendo os raios, ao mesmo tempo que deverá dar respostas a velhas questões.

IMAGEM DO PRIMEIRO RAIO INDUZIDO no Brasil, em 23 de novembro de 2000. Coloração esverdeada deve-se à vaporização do fio de cobre

Desde que a Terra iniciou um processo de resfriamento, há bilhões de anos, descargas elétricas na atmosfera têm sido constantes. Essa fonte de energia pode estar associada à origem da vida, na passagem da matéria inorgânica para a orgânica, como sugerem algumas versões da teoria clássica.

Descargas entre as nuvens e o solo, os raios são a maior evidência da eletrificação da atmosfera na Terra. Atualmente, cerca de 700 milhões de raios por ano lampejam pelo globo terrestre. Provocam em média duas mil mortes e pelo menos 30% da falta de energia elétrica, entre outros inúmeros prejuízos. Certamente é interessante esclarecer que 99% dos raios são do tipo descendentes. Originam-se nas nuvens e terminam na superfície do planeta.

No Brasil, ocorrem de 50 a 70 milhões de raios todo ano. Produzem em média uma centena de mortos e trazem perdas estimadas em R$ 500 milhões, na maior parte ao setor elétrico. O Brasil, devido à enorme extensão territorial e posição geográfica - a região tropical - pode ser considerado como o país de maior incidência de raios em todo o mundo, embora a região com maior densidade de raios por m2/ano esteja na África Central.

Apenas uma pequena parte do total dos raios que ocorrem anualmente pode ser considerada como artificial, no sentido de responder às alterações ambientais produzidas pela atividade humana. Neste caso está a maioria dos raios ascendentes (1% do total) associados, em geral, a construções elevadas como torres, pára-raios de edifícios etc. A presença dessas construções erigidas pelo homem dá origem ao raio, sob condições (em geral, a existência de descargas elétricas dentro das nuvens) que não seriam suficientes para uma manifestação natural. Para as elevações típicas dessas edificações (dezenas de metros), o número de raios induzidos é pequeno. Mas se a altura do objeto ultrapassa 100 metros - caso do Empire State, construído em Nova York na década de 30 -, o número de raios induzidos pode ser significativo. O Empire State induz, em média, 26 raios por ano. Também podem ser incluídos na categoria artificial os raios gerados por explosões nucleares na atmosfera, atualmente proibidas, ou abaixo da superfície do mar, permitidas sob rígido controle.

A natureza imprevisível de um raio é parte de seu fascínio. Mas esta característica também é responsável, em boa medida, pelas dificuldades em pesquisar esse fenômeno, principalmente no que se refere a observações próximas ao canal por onde circula a corrente elétrica. Nessa região, as observações são fundamentais para a compreensão da física desses fenômenos como, por exemplo, a conexão com o solo e o efeito dos campos eletromagnéticos gerados nas vizinhanças do raio. Para contornar essa dificuldade é que outras técnicas (intencionais) de indução de raios têm sido estudadas e empregadas desde a década de 60.

O primeiro raio induzido pela técnica de foguetes foi obtido a bordo de um barco em 1960, na costa oeste da Flórida.  Sobre o continente, os primeiros raios induzidos foram obtidos na França em 1973. A técnica de indução de raios por foguetes já foi empregada em diversos países, caso da França, Japão, Estados Unidos e China. Nos dois últimos continua sendo utilizada. Alguns poucos experimentos também foram realizados na Alemanha, Indonésia e Rússia.

Embora diversas técnicas tenham sido utilizadas na tentativa de induzir raios artificialmente, dentre elas raios laser em infravermelho e ultravioleta, feixes de microondas e jatos de colunas de água de dezenas de metros, a única técnica de indução de raios que tem tido relativo sucesso é a que utiliza pequenos foguetes acoplados a um fio condutor, com um diâmetro de cerca de 0,2 mm, que se desenrola à medida que o foguete sobe na atmosfera em direção a uma tempestade. Além da versatilidade, esta técnica permite, sob determinadas condições, a indução de um grande número de raios. Nos últimos anos, na Flórida, tem-se conseguido induzir mais de 50 raios ao longo de um ano. Até o momento, cerca de mil raios artificiais já foram induzidos por esta técnica em todo o mundo.

O foguete utilizado no Brasil é feito de material plástico com dimensão pouco menor que 1 metro. É lançado quando o campo elétrico atmosférico no solo - que normalmente em dias sem tempestades é de cerca de  100 V/m - atinge um valor em torno de 5.000 a 10.000 V/m, devido à proximidade de uma tempestade. A introdução rápida do foguete na atmosfera, carregando um fio condutor, intensifica o campo elétrico na extremidade do fio a ponto de gerar uma descarga ou líder ascendente que dá início ao processo de indução.  Tipicamente, a velocidade do foguete deve ser de ao menos 200 m/s e a altura de início do líder, em torno de 200 a 300 m. O fio deve ser introduzido rapidamente na atmosfera, de modo a evitar que cargas elétricas liberadas (processo conhecido como corrente corona) causem uma blindagem parcial, reduzindo o campo elétrico local e dificultando o início do líder. O fio condutor, aqui, é de cobre revestido por kevlar (material isolante) e pode ser aterrado, caso em que o lançamento é conhecido como método clássico de indução. Alternativa contrária corresponde ao método de altitude de indução. Cada método tem suas características.

No Brasil, mais especificamente no Centro Internacional de Pesquisas e Testes de Raios Induzidos (Ciptri), no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe) em Cachoeira Paulista - e também na região tropical do planeta, onde ocorrem de 60% a 70% dos raios, é a primeira vez que esta técnica é empregada. 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. Até a primavera de 2003, 41 lançamentos de foguetes foram realizados, 11 pelo método clássico e 30 pelo método de altitude. Dos 41 lançamentos, 31 ocorreram no período entre 16:00 e 20:00 horas. No total, 13 raios artificiais foram induzidos - 5 pelo método clássico e 8 pelo método de altitude, 10 deles associados a tempestades locais estimuladas pela proximidade de sistemas frontais.

A margem de sucesso nos lançamentos pelo método clássico é de 45% e, pelo método de altitude, de 27%, com valor médio de 32%. Enquanto a porcentagem obtida pelo método clássico é inferior à da Flórida (atualmente cerca de 60%), onde praticamente só este método é utilizado, o índice de sucesso pelo método de altitude é similar ao obtido na China. O local do Ciptri foi escolhido considerando-se a atividade de descargas e as facilidades operacionais.

O Ciptri é constituído basicamente por duas plataformas: uma montada no solo, com altura de 5 metros e capacidade para lançar até 12 foguetes durante uma tempestade, e outra inaugurada em 2003, montada pelo Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações (CPqD) - instituição que passou a fazer parte do Ciptri em 2001 - sobre uma torre de telecomunicação e com capacidade para lançar 4 foguetes. As plataformas são ligadas a um laboratório, distante aproximadamente 45 metros e 100 metros de cada uma, respectivamente. Nele estão equipamentos que controlam desde o lançamento até os instrumentos instalados em seu interior e ao redor das plataformas.

Entre esses instrumentos destacam-se sensores de corrente elétrica, campo elétrico, campo magnético e luminosidade. Além desses sensores, o centro conta com diversas câmeras VHS, uma câmera de alta velocidade e sensibilidade (capaz de registrar até 8 mil quadros por segundo) e sensores de campo elétrico e campo magnético situados a uma distância inferior a 1 km. Ambos os métodos de indução têm sido empregados. A atividade de descargas na região do centro é monitorada por sistemas de detecção de raios locais e pelo sistema de monitoramento brasileiro de raios.

O método clássico de indução é o mais efetivo. Entretanto, sua eficiência depende de diversos fatores, além do valor do campo elétrico na superfície. São relevantes dados como a atenuação do campo elétrico com a altura - provocada pelas cargas elétricas contidas na atmosfera próximas ao solo, que provêm das irregularidades superficiais -, o histórico do campo nos minutos antecedentes ao lançamento, a freqüência de descargas naturais e a velocidade de ascensão do foguete. Melhores condições são obtidas para campos relativamente constantes e fraca atividade de descargas naturais. Quanto à velocidade do foguete, deve se manter alta, acima de 200 m/s até altitudes de 300 metros.

O raio começa com um líder ascendente positivo (devido às cargas elétricas na parte inferior da nuvem serem em geral negativas) gerado pela intensificação do campo elétrico na extremidade do foguete. Este líder surge quando o foguete atinge uma altura em torno de 200 a  300 metros e move-se para cima a partir da extremidade do fio preso ao foguete, com velocidade de cerca de 100 mil m/s. Quase que instantaneamente, o líder funde e vaporiza o fio de cobre, produzindo uma luminosidade esverdeada. Assim se estabelece uma corrente com duração de algumas centenas de milissegundos e intensidade da ordem de algumas centenas de  ampères (A), que transporta cargas negativas em direção ao solo, denominada corrente contínua.

Ao contrário dos raios naturais negativos descendentes (o tipo de raio mais comum na Natureza) e semelhante aos raios naturais negativos ascendentes, os raios induzidos pelo método clássico sempre começam com uma corrente contínua. Sobreposta a esta corrente, estão diversos pulsos com centenas de ampères e durações, em certos casos, de até alguns milissegundos. Após este intervalo de tempo, a corrente é interrompida por dezenas de milissegundos, sendo então seguida por um ou mais pulsos de corrente de curta duração (cerca de uma centena de microssegundos) e alta intensidade (algumas dezenas de  milhares de ampères), conhecidos como descargas de retorno, alguns deles podendo ser seguidos por nova corrente contínua.

Cada descarga de retorno é precedida por um líder descendente, conhecido como líder contínuo, que se origina na nuvem e move-se com velocidade da ordem de 10 milhões m/s. Todavia, em determinadas situações somente a corrente contínua é observada, sem a presença de pulsos - algo comum na Flórida e raro no Ciptri.  Até o momento, somente um evento desse tipo foi observado. Tanto a corrente contínua como as descargas de retorno são visíveis em câmeras normais, embora nem todas o sejam. As descargas de retorno de raios negativos induzidos pelo método clássico são similares às descargas de retorno de raios naturais ascendentes e às descargas de retorno subseqüentes (após a primeira) de raios naturais descendentes. A primeira descarga de retorno de raios desse tipo em geral é mais lenta (demora em média 10 microssegundos para atingir o valor máximo ou de pico, contra um microssegundo para as outras descargas de retorno), dura mais e é mais intensa.

Descargas positivas induzidas pelo método clássico são bastante raras, tendo sido observadas mais freqüentemente no Japão e na China. No Brasil, nenhum caso ainda foi registrado. Diferentemente do caso negativo descrito anteriormente, esse tipo em geral não apresenta descargas de retorno, sendo caracterizado por apresentar somente corrente contínua e pulsos de fraca intensidade (abaixo de 2 kA).

Descargas de retorno de relâmpagos artificiais raramente excedem 50 kA, diferentemente de relâmpagos naturais, onde já foram registrados 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. Por outro lado, os máximos valores da variação (derivada) no tempo da corrente de descargas de retorno de relâmpagos artificiais são da mesma ordem dos valores medidos para descargas de retorno de raios naturais (cerca de 300 kA/microsegundo), sendo assim apropriados para estudos de tensões induzidas em sistemas de energia e comunicação. O  valor máximo registrado até o momento no Ciptri foi de 330 kA/microssegundo. No Ciptri, também foi verificada uma alta correlação entre os valores máximos da corrente elétrica e da derivada da corrente elétrica, um resultado que pode ser útil para diversos testes e ensaios de equipamentos. Os raios induzidos pelo método clássico em geral também apresentam períodos de corrente contínua mais longos que os raios naturais, sendo portanto apropriados para testes de cabos condutores e outros dispositivos ou equipamentos suscetíveis à energia total transferida pela descarga.

Nos raios induzidos pelo método de altitude, o foguete, após ser lançado, libera um comprimento de fio condutor para, depois, começar a desenrolar um fio isolante (somente kevlar ou nylon), resultando em uma situação similar à produzida pelo método clássico quando ocorre rompimento do fio durante o lançamento. Esse tipo de raio é bem menos conhecido, em parte pela dificuldade de induzi-lo. Embora poucas medidas da corrente desses raios existam (uma na Flórida e uma no Ciptri), devido à impossibilidade de prever o local a ser atingido pela descarga, sua corrente tende a ser mais intensa e a mostrar um comportamento típico mais parecido com um raio natural negativo descendente. Raios induzidos pelo método de altitude, além das aplicações referidas para os raios induzidos pelo método clássico, são apropriados para testes de diferentes sistemas de proteção, tanto de edificações como de linhas de transmissão e distribuição de energia elétrica.

O método de altitude inicia-se por um líder bidirecional nas duas extremidades do fio condutor, de forma similar às descargas induzidas por aviões na atmosfera. Em geral, o líder ascendente transporta cargas positivas, enquanto o líder descendente (que começa após alguns milissegundos do líder ascendente) transporta cargas negativas, o que caracteriza um raio negativo. O líder descendente assemelha-se ao líder inicial de uma descarga natural descendente, conhecido como líder escalonado. Após o líder descendente conectar-se ao solo através de uma descarga  proveniente da superfície - semelhante às existentes em raios naturais descendentes - uma descarga de retorno ocorre conectando-se ao líder ascendente que se propaga em direção à nuvem. Em geral, esta primeira descarga de retorno é seguida por um período de corrente contínua e outras descargas de retorno mais intensas, as últimas muito similares às descargas de retorno subseqüentes dos raios naturais. Acredita-se que a primeira descarga de retorno de raios induzidos pelo método de altitude seja mais fraca que as descargas que se seguem. E isso se deve ao menor comprimento do canal no instante em que ela ocorre, pelo fato de o líder ascendente não ter ainda chegado à nuvem. Na China, recentemente, pela primeira vez no mundo, foi induzido um raio positivo pelo método de altitude.

Após terem sido realizadas quatro campanhas (2000 a 2003), e apesar do pequeno número (13) de raios induzidos, vários resultados já foram obtidos. Inicialmente, pôde-se demonstrar que a técnica de indução de raios por foguetes e fios condutores funciona na porção tropical do planeta, região onde, em geral, as nuvens apresentam seus centros de carga elétrica em maiores altitudes. A margem de sucesso nos lançamentos de foguetes pelo método clássico parece levemente menor que a obtida na Flórida, enquanto a margem de sucesso nos lançamentos pelo método de altitude parece similar à obtida na China. Variações da técnica, considerando diferentes comprimentos de fios e até mesmo diferentes combustíveis do foguete, estão sendo testadas com o intuito de aumentar a margem de sucesso.

Os resultados também apontam para uma maior intensidade dos raios induzidos no Brasil e na região tropical do planeta, em comparação com os valores registrados na França e nos Estados Unidos, embora ainda seja cedo para uma conclusão final. Quanto às outras características, como, por exemplo, o número médio de descargas de retorno em um raio e a duração da corrente contínua, elas parecem  similares às obtidas nas outras regiões do mundo.

Finalmente, os raios artificiais têm também sido úteis para validar o sistema de monitoramento de raios que existe em parte de nosso território. Os resultados iniciais indicam procedimentos que irão permitir que se obtenha melhor performance deste sistema. Na eterna busca de compreender a Natureza, talvez estejamos voltando às nossas raízes de prováveis filhos dos raios.

Resumo/ manipulacao de raio

-Eles têm, entre as principais utilidades, fazer avançar as pesquisas científicas e testar as tecnologias de sistemas de proteção.

-Atualmente a única técnica de indução de raios que tem apresentado um relativo sucesso é a que utiliza foguetes acoplados a um fio condutor e que são direcionados às nuvens de tempestades.

-A primeira vez que esta técnica foi utilizada na região tropical do planeta foi no Ciptri (Centro Internacional de Pesquisas e Testes de Raios Induzidos), localizado no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe).

-Existem dois tipos de método de indução: o que utiliza um fio condutor aterrado (método clássico de indução) e com fio não aterrado.

Os autores

OSMAR PINTO JR. é coordenador do Grupo de Eletricidade Atmosférica (Elat) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe) e o primeiro membro brasileiro do Comitê Internacional de Eletricidade Atmosférica, criado em 1954 pela Associação Internacional de Meteorologia e Ciências Atmosféricas. É formado em Engenharia Eletrônica pela PUCRS, doutor em ciências espaciais pelo Inpe e pós-doutorando pela Universidade de Washington, nos EUA. É autor de mais de uma centena de artigos em revistas brasileiras e internacionais.

IARA CARDOSO é estudante de jornalismo da Faculdade de Comunicação e Artes da Universidade Mackenzie.

Para conhecer mais

Site do Grupo de Eletricidade Atmosférica (Elat) com informações e referências de artigos publicados pelo grupo - http://www.cea.inpe.br/elat

-Tempestades e relâmpagos no Brasil. O. Pinto Jr. e I.R.C.A. Pinto, Ed. Inpe, 2000, 200 págs.

-Triggered lightning strokes at very close range. M.M. Newman, J.R. Stahmann, J.D. Robb, E. A. Lewis, S. G. Martin, e S.V. Zinn, em Journal of Geophysical Research, vol. 72, págs. 4761-4764, 1967.

-Artificially triggered lightning above land. R.P. Fieux, C. Gary e P. Hubert, em Nature, vol. 257, págs. 214-214, 1975.

-Lightning: physics and effects. V. A. Rakov e M.A. Uman, Ed. Cambridge, 2003, 687págs.