Reportagem    edição 37 - Junho 2005 Um raio no céu azul Pesquisa mostra que relâmpagos são fenômenos surpreendentemente complexos e ainda pouco conhecidos. por Joseph R. Dwyer Osmar Pinto Tempestade em São José dos Campos, estado de São Paulo em março de 1997 Relâmpagos são um fenômeno particularmente perturbador . Eles causam mais mortes e ferimentos nos EUA do que furacões ou tornados. Algumas vezes caem sem aviso, quando não há nada além do céu azul logo acima. Na Flórida central, onde vivo, tempestades de raios são uma ocorrência diária no verão, e por isso, ironicamente, pessoas nesta terra ensolarada muitas vezes passam as tardes dentro de casa para evitar o risco de que o céu caia sobre sua cabeça. No mundo inteiro, ocorrem cerca de 4 milhões de relâmpagos por dia, e raios têm sido observados em outros planetas. Apesar de toda essa familiaridade, ainda não sabemos o que causa os relâmpagos. É um engano pensar que Benjamin Franklin resolveu o mistério quando conduziu seu famoso experimento com uma pipa em 1752. Embora Franklin tenha demonstrado que os relâmpagos são um fenômeno elétrico, os cientistas até hoje lutam para entender como tempestades geram carga e como os relâmpagos ocorrem. Os físicos cogitam que os relâmpagos possam até mesmo ter uma conexão com raios cósmicos - partículas de alta energia que bombardeiam a Terra - que disparam cascatas de elétrons acelerados na atmosfera. Os cientistas recentemente descobriram uma maneira de estudar relâmpagos: examinar raios X emitidos quando o raio parte das nuvens para o chão. Nos últimos anos, nossa equipe mediu raios X tanto em relâmpagos naturais quanto nos produzidos artificialmente. Os resultados sugerem que o relâmpago traça canais condutores enviando jatos de elétrons em alta velocidade. Mas ainda não se sabe como os raios aceleraram esses elétrons. Para descobrir, estamos construindo uma rede de detectores de raios X na Flórida. Mais Estranhos que Faíscas De certa forma, um relâmpago lembra uma grande faísca. Podemos imaginar um choque convencional, do tipo que alguém leva quando toca uma maçaneta depois de andar por um carpete. Quando passa pelo carpete, os sapatos da pessoa arrancam elétrons e ela acumula carga elétrica, produzindo um campo elétrico entre seu corpo e outros objetos na sala. Para campos pequenos, o ar é um bom isolante - os elétrons se prendem aos átomos de oxigênio mais rápido do que eles são liberados por colisões -, e correntes elétricas não podem fluir em quantidades perceptíveis. Conforme seu dedo se aproxima da maçaneta, no entanto, o campo elétrico se torna localmente mais intenso. Se atingir um valor crítico de 3 milhões de volts por metro, chamado de campo de quebra de rigidez, o ar se torna condutor e há descarga: a corrente preenche o vão. A eletrificação das tempestades tem algo em comum com o exemplo da maçaneta. Nelas, o papel dos sapatos no carpete é interpretado por partículas de gelo e gotas de água movendo-se para cima e para baixo dentro da nuvem. Quando essas partículas se chocam umas com as outras, podem arrancar elétrons e ficar carregadas. As cargas positivas e negativas então são separadas por ventos ascendentes e pela gravidade, produzindo o campo elétrico. Mas se tentarmos forçar mais na analogia da maçaneta, chegamos a um problema: décadas de medições feitas dentro das nuvens raramente encontram campos acima de 200 mil volts por metro. Isso é muito pouco para que haja quebra de rigidez, como quando tocamos a maçaneta. Até há pouco, os cientistas se concentravam em duas explicações para resolver esse dilema. A primeira é a de que é possível que campos elétricos mais fortes existam em tempestades, mas apenas em volumes relativamente pequenos, tornando-os difíceis de medir. Embora um cenário desses não possa ser checado por observação, ele não é de todo satisfatório, porque estamos apenas substituindo um problema por outro: como as nuvens produzem forte campo elétrico em espaço tão pequeno? A segunda explicação vem dos experimentos de laboratório que mostram que o campo elétrico necessário para produzir uma descarga é reduzido substancialmente quando há pingos ou partículas de gelo no ar, como nas tempestades. Infelizmente, a adição de chuva ou gelo compensa apenas parte da discrepância; os campos nas tempestades ainda parecem muito fracos para gerar uma descarga convencional. Cientistas também estão incertos sobre como um relâmpago se propaga por muitos quilômetros pelo ar. O processo começa com a formação de um "líder", um canal quente que pode ionizar o ar e transportar a carga por longas distâncias. Curioso é que o líder não viaja até o chão de maneira contínua, mas se move em uma série de passos discretos. Ainda não se sabe como tudo isso ocorre. Esforços para modelar esses processos não têm sido bem-sucedidos por completo e levaram muitos pesquisadores, incluindo eu mesmo, a pensar se talvez tenhamos nos esquecido de algo importante. Por exemplo: talvez comparar um relâmpago com uma descarga convencional, como uma faísca numa maçaneta, não seja correto. Existe um outro tipo de descarga, mais incomum, a quebra de rigidez desenfreada, gerada por elétrons energéticos acelerados por múltiplas colisões. Numa descarga convencional, todos os elétrons se movem relativamente devagar, porque são bloqueados por constantes colisões com moléculas de ar. As colisões criam uma força de arrasto similar à que alguém sente quando coloca a mão para fora da janela do carro: conforme o carro acelera, o arrasto aumenta, e conforme freia, diminui. Mas na eletricidade é diferente. Se a velocidade dos elétrons for suficientemente alta - pelo menos 6 mil km/s, ou cerca de 2% da velocidade da luz -, a força de arrasto começa a diminuir conforme a velocidade dos elétrons aumenta . Se um campo elétrico forte acelera um elétron de alta velocidade, a força de arrasto se torna menor, o que permite ao elétron mover-se ainda mais depressa, reduzindo a força de arrasto ainda mais, e assim por diante. Esses elétrons desenfrea-dos podem chegar quase à velocidade da luz, adquirindo enormes quantidades de energia e produzindo a chamada quebra de rigidez desenfreada. Esse processo, porém, precisa ser se-meado por uma população inicial de elétrons com altas energias. Em 1925, o físico escocês C.T.R. Wilson sugeriu que o decaimento de isótopos radioativos ou a colisão de partículas de raios cósmicos com moléculas de ar poderiam gerar elétrons desenfreados nos campos elétricos dentro das nuvens de tempestade. O modelo de Wilson, no entanto, predizia que o decaimento radioativo e as colisões de raios cósmicos produziriam muito poucos elétrons desenfreados para provocar os relâmpagos. Em 1961, Alexander V. Gurevich, do Instituto de Física Lebedev, em Moscou, propôs outro mecanismo para a produção de elétrons desenfreados. Ele mostrou que, em campos elétricos muito fortes, grandes quantidades de elétrons desenfreados poderiam ser produzidas diretamente a partir da vasta população de elétrons livres de baixa energia, eliminando assim o problema de Wilson com a falta de elétrons-sementes energéticos. Para isso, Gurevich usou um método de força bruta em que o campo elétrico é tão forte que alguns dos elétrons de baixa energia são rapidamente acelerados acima do limite de energia, permitindo que escapem. A dificuldade com esse mecanismo é que exige um campo elétrico 10 vezes maior do que o da quebra de rigidez convencional, por sua vez muito maior do que os campos observados nas tempestades. Em outras palavras, os físicos pareciam estar indo na direção errada. Finalmente, em 1992, surgiu uma idéia com potencial para explicar o que acontece dentro das tempestades e como os relâmpagos surgem. Gurevich, com Gennady M. Milikh, da Universidade de Maryland, e Robert Roussel-Dupré, do Laboratório Nacional de Los Alamos, propuseram o modelo da Avalanche de Elétrons Relativísticos Desenfreados (RREA, na sigla em inglês). Segundo essa teoria, os próprios elétrons desenfreados geram mais elétrons-sementes energéticos ao colidirem com força contra moléculas de ar e arrancarem outros elétrons de alta energia. Esses elétrons atingidos escapariam e colidiriam com mais moléculas de ar, produzindo ainda mais elétrons-sementes energéticos, e assim por diante. O resultado é uma avalanche de elétrons de alta energia que cresce exponencialmente com o tempo e a distância. Como esse processo pode ser iniciado até mesmo por um único elétron-semente energético, constantes colisões de raios cósmicos e o decaimento radioativo seriam suficientes para disparar uma avalanche de elétrons desenfreados. E enquanto a avalanche permanecer em uma região de forte campo elétrico, crescerá por tempo indefinido, resultando na quebra de rigidez desenfreada. Além disso, ao contrário da antiga hipótese de Gurevich, esse modelo exige um campo elétrico com apenas um décimo do porte daquele necessário para uma quebra de rigidez convencional em ar seco. Em altitudes de tempestade, com pequena densidade do ar, o campo necessário para a quebra de rigidez desenfreada é de cerca de 150 mil volts por metro - dentro da faixa de valores medidos no interior de nuvens. Talvez não seja coincidência que o campo elétrico máximo observado nas nuvens e o campo necessário para a quebra de rigidez desenfreada sejam parecidos; meus cálculos mostraram que esse fenômeno iria descarregar o campo elétrico com eficiência se crescesse demais. Em uma descarga normal, todos os elétrons têm baixa energia e viajam relativamente devagar, de modo que a radiação eletromagnética emitida pela faísca vai apenas até a faixa do ultravioleta. Em uma quebra de rigidez por avalanche, no entanto, os elétrons em alta velocidade ionizam grandes quantidades de moléculas do ar e produzem raios X e raios gama de alta energia. (O fenômeno é conhecido como "radiação de freamento", do termo alemão Bremsstrahlung.) Conseqüentemente, um modo de testar a quebra de rigidez desenfreada é procurar por raios X. Visão de Super-homem Motivados em primeiro lugar pela hipótese de Wilson e depois pelo trabalho de Gurevich, cientistas tentam observar raios X em tempestades de raio e em relâmpagos desde a década de 1930. Essas medições são difíceis e até há pouco produziam em sua maior parte resultados ambíguos. Os raios X não viajam muito longe através da atmosfera e em geral são absorvidos a poucas centenas de metros da fonte. Outro problema é que as tempestades são ambientes ruidosos em termos eletromagnéticos. Relâmpagos, em particular, emitem grandes quantidades de ruído em freqüências de rádio, causando a famosa interferência em rádios AM a muitos quilômetros de distância. Detectar raios X envolve registrar pequenos sinais elétricos; tentar fazer essas medições perto de um relâmpago é como tentar ouvir uma conversa num restaurante barulhento. Como é difícil distinguir sinais elétricos reais produzidos por raios X de sinais espúrios vindos de emissões de radiofreqüência, muitos dos resultados iniciais não foram aceitos de imediato. A situação ficou mais interessante nos anos 1980, quando George K. Parks e Michael P. McCarthy, da Universidade de Washington, fizeram observações em aeronaves dentro de tempestades. Depois, Kenneth B. Eack, agora no Instituto de Mineração e Tecnologia do Novo México (NMT), coordenou uma série de sondagens de balão dentro de nuvens tempestuosas. Essas observações forneceram dicas de que as tempestades de raios às vezes produzem grandes disparos de raios X. A fonte dessa radiação não foi identificada com precisão, mas parecia estar associada aos campos elétricos acentuados dentro das nuvens. O interessante foi que a emissão de raios X algumas vezes começou antes de um relâmpago ser observado e parou quando o raio surgiu, talvez porque o relâmpago tenha reduzido os campos elétricos necessários para produzir a quebra de rigidez desenfreada. Os pesquisadores não sabem de nenhum mecanismo capaz de produzir quantidades tão grandes de raios X na atmosfera além da quebra de rigidez desenfreada. Outros fenômenos associados aos relâmpagos não podem ser responsáveis pelas emissões; apesar de um relâmpago poder aquecer o ar até 30.000oC - cinco vezes a temperatura da superfície do Sol -, quase nenhum raio X é produzido a essa temperatura. Em 2001, finalmente os cientistas acharam um elo direto entre os raios X e os relâmpagos, quando Charles B. Moore e colegas do NMT relataram a observação de radiação energética - presumivelmente raios X - em vários relâmpagos naturais no topo de uma grande montanha. Ao contrário das observações anteriores, a radiação energética ali parecia ser produzida pelo relâmpago em si e não pelos campos elétricos de larga escala na nuvem. Além disso, as emissões pareciam ocorrer durante a primeira fase do relâmpago, o movimento do líder da nuvem para o chão. Essa observação era algo inteiramente novo. Foi aí que entrei em cena. Como físico, sempre me interessei em como raios X e raios gama são produzidos. Embora essa radiação seja comum no espaço, onde o vácuo permite que partículas energéticas viajem desimpedidas, é muito mais rara na Terra. Em consequênia, fiquei fascinado pelo modelo de quebra de rigidez desenfrea-da de Gurevich, Milikh e Roussel-Dupré, que sugeria que o mesmo tipo de raio X produzido em eventos como explosões solares poderia também ser produzido por tempestades e relâmpagos. Decidi ver por mim mesmo se esses supostos raios X existiam, investigando as tempestades freqüentes em meu próprio quintal. Em 2002, meu grupo no Instituto de Tecnologia da Flórida, em colaboração com Martin A. Uman e sua equipe da Universidade da Flórida, começou uma campanha de busca por emissões de raios X em relâmpagos. Para reduzir os problemas de sinais eletromagnéticos espúrios, colocamos detectores sensíveis de raios X dentro de pesadas caixas de alumínio projetadas para proteger contra umidade, luz e ruído de radiofreqüência. Preparamos nossos instrumentos no Centro Internacional para Teste e Pesquisa de Raios (ICLRT), em Camp Blanding. Operado pela Universidade da Flórida e pelo Flórida Tech, o ICLRT é equipado para medir os campos elétricos e magnéticos e as emissões ópticas associadas aos relâmpagos, entre outros. Além disso, é capaz de induzir raios de modo artificial a partir de tempestades naturais usando pequenos foguetes. Quando uma tempestade está sobre o ICLRT e o campo elétrico no chão atinge vários milhares de volts por metro, os pesquisadores lançam um foguete de um metro de comprimento a partir de uma torre de madeira. Ele desenrola um carretel de um fio de cobre revestido de Kevlar, com uma das pontas presa ao chão. Quando o foguete atinge 700 metros, o cabo vertical amplifica o campo elétrico na ponta do foguete, resultando em um líder que se propaga para cima e por fim encontra seu caminho até a nuvem. A corrente elétrica que sobe do chão através do líder rapidamente vaporiza o fio. Cerca de metade dos lançamentos desencadeiam um raio nas nuvens acima, e os relâmpagos em geral acertam o aparelho lançador de foguetes. Tanto os relâmpagos naturais quanto os artificiais são compostos de vários traços. Nos raios artificiais, cada segmento começa com uma coluna descendente de carga chamada de líder contínuo, que, próxima ao chão, segue mais ou menos a rota deixada pelo foguete e pelo cabo. O líder contínuo traz para baixo a carga negativa da nuvem e ioniza o canal conforme se move. Uma vez que o líder contínuo se conecta ao chão, um curto-circuito é criado e um grande pulso de corrente, chamado de descarga de retorno, flui pelo canal. A corrente na descarga de retorno aquece o canal com rapidez, originando a luz que vemos. A isso se segue a rápida expansão do ar quente, que produz o trovão. Após a descarga de retorno, outro líder contínuo pode surgir, e o processo inteiro se repete. A rápida sucessão de descargas é o que faz o canal do relâmpago oscilar. No relâmpago natural, o papel do foguete é interpretado por um líder escalonado, que forja a rota ionizada partindo em passos irregulares da nuvem até o chão. As descargas subseqüentes de relâmpagos naturais, no entanto, são iniciadas por um líder contínuo, o que as torna muito similares às descargas de um relâmpago induzido. A vantagem de estudar o último é que o momento e o local do relâmpago podem ser controlados. Além disso, o experimento pode ser repetido indefinidamente; dúzias de flashes de relâmpagos são produzidos no ICLRT todo verão. Para ser honesto, dada a longa história de resultados negativos ou ambíguos de detecção de raios X, não esperava medir de verdade nenhum raio X de relâmpago quando montamos nossos instrumentos pela primeira vez no ICLRT, em 2002. Por essa razão, depois de nossas primeiras medições de relâmpagos induzidos, não me dei ao trabalho de analisar os dados por mais de uma semana. Quando finalmente me sentei com o estudante de pós-graduação Maher Al-Dayeh e tabulei os dados dos detectores de raios X, quase caí da cadeira. Para minha surpresa - e para a de todo mundo - descobrimos que raios induzidos produzem muitos raios X, quase todas as vezes. Experimentos ao longo do ano seguinte mostraram que eles são produzidos pelos líderes contínuos do relâmpago, talvez com alguma contribuição do início das descargas de retorno. As energias desses raios X vão até 250 mil eletrovolts, cerca do dobro da usada para tirar uma radiografia de pulmão. Além do mais, a emissão de raios X não é produzida de modo contínuo, mas ocorre em rápidos disparos separados por 1 milionésimo de segundo. Se os humanos tivessem visão de raios X, como o Super-Homem, os relâmpagos pareceriam bem diferentes daqueles que estamos acostumados a ver: durante a propagação do líder escalonado do relâmpago para baixo, enxergaríamos uma série rápida de flashes brilhantes descendo das nuvens. Os flashes ficariam mais fortes perto do chão, terminando com um disparo muito intenso no instante em que a descarga de retorno começasse. Embora o pulso da corrente que se seguiria fosse brilhante em luz visível, pareceria escuro em raios X. A observação dos raios X dos relâmpagos indica que alguma forma de quebra de rigidez por avalanche precisa estar envolvida para acelerar os elétrons o suficiente a fim de produzir a radiação de freamento. Mas acontece que nossas medições não se encaixam bem no modelo RREA desenvolvido por Gurevich, Milikh e Roussel-Dupré, que forneceu a motivação original para nossos experimentos. Os raios X que observamos tinham energias muito menores do que aquelas previstas pelo modelo da avalanche, e a intensidade dos disparos foi muito maior do que a esperada. Na verdade, os resultados sugerem que os campos elétricos produzidos pelos líderes de relâmpagos são muito maiores do que o que antes se acreditava possível. Por ironia, nossos experimentos até agora indicam que o mecanismo em operação nos líderes de relâmpago é mais parecido com o velho modelo de quebra de rigidez por avalanche previsto por Gurevich em 1961 - aquele que exigia um enorme campo elétrico, descartado a princípio. O mecanismo pelo qual o relâmpago pode gerar esses campos elétricos enormes continua sendo um mistério, mas outras observações de raios X poderão oferecer novas pistas. Desde a descoberta inicial de raios X nos relâmpagos induzidos, também observamos várias ocorrências de raios naturais no ICLRT. Esses dados mostraram emissões de raios X durante a fase do líder escalonado, confirmando as medições anteriores do NMT. Além disso, os raios X chegaram em rápidos disparos no exato momento em que o líder dava um passo adiante. Esse resultado mostra que a quebra de rigidez desenfreada está envolvida no processo do líder escalonado, determinando aonde o relâmpago vai. Um mecanismo similar também opera durante as fases de líder contínuo nas descargas de retorno subseqüentes. Em resumo, as emissões de raios X por relâmpagos naturais são similares às de relâmpagos induzidos. Está ficando claro que a quebra de rigidez desenfreada é um fenômeno comum em nossa atmosfera. Apesar de as moléculas do ar atrapalharem a aceleração de elétrons rápidos, vemos evidências de quebra de rigidez desenfreada até mesmo perto do chão, onde o ar é mais denso. (A maior parte dos raios X que conseguimos observar no canal do relâmpago vem de uma altitude abaixo de 100 metros.) Logo, a quebra de rigidez desenfreada deve acontecer até mais freqüentemente em altitudes de tempestade. De Volta à Tempestade E quanto ao início do relâmpago dentro da nuvem? Nos últimos anos, os pesquisadores construíram modelos promissores para mostrar como os chuveiros de partículas criados pelo impacto da radiação cósmica na atmosfera poderiam iniciar o processo de quebra de rigidez desenfreada. Como as grandes avalanches de elétrons desenfreados podem ser produzidas por apenas um elétron-sementes energético, a descarga disparada por uma grande chuva de raios cósmicos - que envolvem milhões de partículas-sementes energéticas chegando ao mesmo tempo - pode de fato ser enorme. Uma descarga grande dessas poderia gerar uma amplificação localizada do campo elétrico na frente da avalanche por causa do grande aumento em carga elétrica ali. Essa amplificação pode agir como o dedo perto da maçaneta, rapidamente aumentando o campo elétrico até o ponto em que uma quebra de rigidez elétrica convencional pode acontecer. Uma evidência fascinante apoiando a quebra de rigidez por avalanche nas nuvens veio de nossos experimentos no ICLRT no meio do ano passado. Durante o último lançamento de foguete da estação, por sorte captamos um grande disparo de radiação muito energética - raios gama, não raios X - usando três detectores colocados a 650 metros do canal do relâmpago. As energias dos fótons de raios gama individuais iam além dos 10 milhões de eletrovolts, cerca de 40 vezes a energia dos raios X que havíamos observado antes em líderes de relâmpagos. Qualquer um que costuma imaginar cientistas como pessoas calmas e reservadas deveria nos ter visto quando os dados do flash de raios gama apareceram em nosso computador. Alguém deve ter achado que nosso time tinha acabado de ganhar um campeonato. Baseados em nossas medições da corrente do canal do relâmpago, nos campos elétricos e nas propriedades dos raios gama, inferimos que a fonte da emissão está provavelmente muitos quilômetros acima da nuvem. Não esperávamos ver raios gama nessa altitude porque a atmosfera absorve essa radiação, mas aparentemente a intensidade da fonte era tão grande que alguns fótons foram capazes de chegar ao chão. Essa descoberta sugere que uma enorme quebra de rigidez desenfreada pode ter acontecido dentro da nuvem, em um processo relacionado ao início do raio artificial. Segundo nossas observações, é possível estudar esse fenômeno no chão, o que é em termos experimentais muito mais simples do que colocar detectores em aeronaves ou balões. Além disso, cientistas relataram que há pouco o Imageador Espectroscópico Solar de Alta Energia Reuven Ramaty (Rhessi, na sigla em inglês) detectou disparos de raios gama similares associados a tempestades de trovão enquanto orbitava a Terra a 600 km de altitude! Com financiamento adicional da Fundação Nacional de Ciência, estamos agora em via de expandir o número de instrumentos de raios X no ICLRT de cinco para mais de 36, cobrindo 1 km2 do sítio de Camp Blanding. Essa expansão deve melhorar nossa capacidade de estudar raios naturais e artificiais e aumentar as chances de detectar mais disparos de raios gama das nuvens de tempestade. As emissões de raios X e raios gama podem servir como sondas para ajudar a determinar os campos elétricos em regiões que de outro modo seriam muito difíceis de medir. Os resultados nos permitiriam entender melhor os processos de quebra de rigidez que iniciam os relâmpagos e facilitam sua propagação. Usar raios X para estudar relâmpagos ainda é uma novidade, e, conseqüentemente, toda vez que conduzirmos um experimento, descobriremos algo que não sabíamos antes. Já aprendemos que o relâmpago não é uma faísca comum, do tipo que sentimos ao tocar uma maçaneta. Ela envolve uma espécie mais exótica de descarga que produz elétrons desenfreados e raios X. Como os raios X nos permitem ver o relâmpago de um jeito novo, essa pesquisa pode nos ajudar a finalmente resolver o quebra-cabeça iniciado por Benjamin Franklin dois séculos e meio atrás. 1 2 3 4 5 6 7 8 » Joseph R. Dwyer É professor de física e ciência espaciais do Instituto de Tecnologia da Florida. Após seu doutorado em física na Universidade de Chicago, em 1994, trabalhou como pesquisador na Universidade Columbia e na Universidade de Maryland, mudando-se em 2000 para a Flórida. Veja aqui todas as reportagens publicadas neste site!