Um Show entre o Céu e a Terra - Física

UM SHOW ENTRE O CÉU E A TERRA - Física

O relâmpago é um dos eventos naturais mais fáceis de observar - e mais difíceis de estudar. As nuvens onde ocorrem as descargas que os produzem ainda guardam alguns mistérios.

No principio, há mais de 4 bilhões de anos, quando a Terra estava em formação, existiam na atmosfera apenas nuvens dos quatro gases chamados primordiais: amônia, metano, hidrogênio e vapor de água. Eis que, inesperadamente, começam a irromper relâmpagos por toda parte. Tempos depois, surgem os primeiros compostos orgânicos, matéria-prima para o aparecimento de vida no planeta. Esse grandioso acontecimento, já reproduzido em escala de laboratório, dá a medida da importância dos relâmpagos na complexa engrenagem da natureza. De fato, a colossal quantidade de energia elétrica liberada no evento - de que o relâmpago, um clarão intenso e breve, é a rigor apenas o produto - foi a força que naquele passado remoto rompeu as moléculas dos quatro gases; o resultado, a partir da recomposição dos fragmentos de moléculas, foi o nascimento dos aminoácidos estrutura básica das proteínas, os tijolos da vida. Até hoje, porém, a mesma ciência que se revelou capaz de conceber e reproduzir o mais plausível momento culminante da origem da matéria orgânica na Terra ainda não conseguiu esclarecer plenamente os segredos dessa espetacular descarga de eletricidade tão comum e efêmera que acontece cerca de cem vezes por segundo pelo mundo afora.

Desde que o pensador, diplomata, inventor e cientista americano Benjamin Franklin (1706-1790) demonstrou que um relâmpago é a evidência de uma fantástica descarga de eletricidade, incontáveis pesquisas têm procurado descobrir o que acontece no interior das nuvens onde ela se origina. No entanto, apesar de toda a tecnologia atualmente disponível para tais investigações, a natureza dos relâmpagos e o mecanismo pelo qual nuvens de chuva são eletrificadas permanecem obscuras. Franklin observara em 1752, por exemplo, que "as nuvens de uma pancada de chuva estão em sua maioria no estado negativo de eletricidade, mas algumas vezes num estado positivo".

Só recentemente se esclareceu o dilema se essa descrição ambígua foi resultado de uma observação falha ou se é a ambigüidade inerente ao fenômeno. É inerente. O criativo cientista americano provou, em todo caso, que o relâmpago transfere cargas tanto positivas quanto negativas de uma área da nuvem para outra ou entre a nuvem e a Terra. Para que essa transferência aconteça, a nuvem tem de estar eletrificada, ou seja, é necessário que as cargas positivas e negativas dentro dela estejam separadas. Mas como será que essas cargas se separam? Por enquanto, somente uma parte da pergunta foi respondida.

Todo e qualquer objeto possui cargas positivas e negativas. Quando é igual o número de umas e outras, não existindo carga alguma sobrando - e há um equilíbrio entre cargas opostas -, se diz que esses objetos são eletricamente neutros. Alguns acontecimentos microfísicos, porém, podem causar uma separação de cargas, com o resultado de que, embora o objeto como um todo permaneça neutro, uma área tem mais cargas positivas ou negativas do que outra. Nesse caso, o objeto está carregado ou eletrificado. A separação das cargas é medida em volts. Quanto maior a separação, maior a voltagem. Quando se anda dentro de um quarto, por exemplo, todo o quarto permanece neutro, mas a ação de atrito dos sapatos sobre um tapete carrega-o com uma polaridade, ficando os sapatos e o corpo da pessoa com polaridade oposta. Isso pode acarretar uma diferença de potencial de vários volts entre as cargas positivas e negativas. O que fica evidente quando se provoca uma pequena descarga elétrica ao se tocar no trinco da porta.

A descarga tornada visível no relâmpago pode surgir numa tempestade de gelo ou numa tempestade de areia. Bem como numa erupção vulcânica, numa explosão nuclear e, aparentemente, até mesmo em pleno céu azul. Mas os cientistas preferem analisar a mais familiar de todas: a que sai da nuvem em direção à Terra e, ao voltar, se manifesta no clarão. Tudo começa quando o ar quente e úmido próximo ao solo se eleva na atmosfera e, chegando a certa altitude, esfria. O resultado é uma nuvem em forma de bigorna, chamada cúmulo-nimbo pelos meteorologistas. No seu estágio mais avançado, esse tipo de nuvem tem uma conformação macia, parecida a um monte de algodão flutuando no ar, com uma base escura, resultado da interrupção da passagem da luz do Sol. Quando um cúmulonimbo alcança uma altura de cerca de 10 mil metros, a baixíssima temperatura na sua parte mais alta (35° C abaixo de zero) provoca a precipitação de partículas de água e cristais de gelo.

À medida que os pingos de chuva e os cristais caem no interior da nuvem, arrastam o ar consigo. Assim, violentas correntes descem por dentro da nuvem, com velocidades de até 200 quilômetros por hora. Mais água e partículas de gelo são carregadas por esses ventos, alcançando também altas velocidades. Ao longo do caminho, o choque entre as partículas torna algumas delas eletrificadas: perdem ou ganham elétrons e assim adquirem cargas positivas ou negativas. "Já se tem certeza de que concentrações de cargas positivas e negativas ficam separadas no interior da nuvem, embora não se saiba por que isso acontece", escreveu Earle Williams, professor de Meteorologia do Massachusetts Institute of Technology, nos Estados Unidos. As cargas positivas se concentram no topo da nuvem, bem como, em menor quantidade, na parte mais baixa. Na região central ficam as cargas negativas.

Um típico raio acontece quando o campo elétrico em qualquer parte da nuvem se torna tão forte com a intensidade das correntes de ventos que arranca um elétron de uma molécula de ar, tornando-a carregada e, por isso mesmo, transformando aquela parte do ar de isolante em condutor elétrico. Instantaneamente, 10 20 (o número 1 seguido de vinte zeros) elétrons são arrancados numa descomunal reação em cadeia, criando o chamado raio precursor: um raio muito tênue, com carga negativa, que ainda não pode ser visto a olho nu, dispara do fundo da nuvem em direção à Terra, completando o percurso em milionésimos de segundo; seu traçado se assemelha aos galhos de uma árvore porque corre pelos caminhos mais fáceis que encontra, da mesma forma que a água que escorre por um vidro se ramifica.

A quantidade de corrente nessa descida não passa de algumas centenas de ampères (um típico circuito elétrico doméstico carrega apenas 15 ampéres). Quando esse raio chega perto do chão, a carga positiva da Terra se intensifica naquele lugar e dispara uma descarga em sentido contrário ao do raio. Aí sim, ocorre o espetáculo. A luminosidade do raio de retorno, ou seja, o relâmpago, é o que realmente se enxerga a distância.

Ele percorre, com um terço da velocidade da luz, o mesmo caminho aberto pelo raio precursor, descarregando entre 10 mil e 200 mil ampères e alcançando uma temperatura cinco vezes maior que a da superfície do Sol. Quase instantaneamente, outro raio é disparado pela nuvem em direção ao solo, seguindo o mesmo traçado do anterior. E mais outro relâmpago de retorno deixa a Terra e vai em direção à nuvem. Isso se repete três ou quatro vezes - o recorde registrado é 26 vezes. "Mas, sejam quantos forem os raios que sobem e descem, o olho humano os enxerga como se fossem apenas um", explica o pesquisador Osmar Pinto Jr., do Departamento de Geofísica Espacial do Instituto de Pesquisas Espaciais ((INPE), em São José dos Campos, São Paulo.

Como o ar em volta do relâmpago aquece instantaneamente e se expande, cria uma onda de choque inicialmente supersônica que depois se iguala à velocidade do som. É o momento em que se ouve o trovão. No mar, o evento é mais raro, porque na área atingida pelo raio precursor precisa haver uma grande concentração de cargas positivas, o que é incomum na superfície dos oceanos. A vontade dos cientistas de entender a origem dos raios nas nuvens de tempestades não é apenas acadêmica. Existe a preocupação de reduzir eventualmente o risco de danos às pessoas e às propriedades. Calcula-se que centenas de pessoas morrem todos os anos eletrocutadas por raios. Recentemente, constatou-se também que o relâmpago de retorno é tão rápido e seu pico de corrente tão poderoso, que as indústrias eletrônica e aeroespacial terão de reformular suas tecnologias. Isso porque a aguardada próxima geração de aviões comerciais deveria empregar os chamados novos materiais, laminados de grafite e epóxi, mais suscetíveis aos relâmpagos do que o alumínio e o titânio empregados atualmente.

A carcaça de metal de um avião, assim como a de um automóvel, forma o que os físicos chamam gaiola de Faraday, em alusão ao cientista inglês Michael Faraday (1791-1867), um dos precursores dos estudos sobre o eletromagnetismo. Na gaiola, a corrente elétrica flui em torno do metal mas não no seu interior. Uma vez que o grafite e o epóxi não conduzem energia elétrica, não têm como manter a eletricidade do raio do lado de fora dos aviões. "Não apenas os computadores de navegação e os sistemas de comunicação, mas também qualquer outro dos mais recentes aviões à base de microcircuitos ficariam mais vulneráveis", inquieta-se Philip Krider, pesquisador da Universidade do Arizona, nos Estados Unidos. Um raio pode matar porque é uma corrente elétrica de alta voltagem. Embora dure apenas frações de segundo, fulmina pelo choque ou pelo calor que produz. As estatísticas informam que os homens estão mais sujeitos a serem atingidos do que as mulheres - pela simples razão de que mais homens do que mulheres trabalham a céu aberto.

Mas os raios também podem matar ou pelo menos ferir dentro de quatro paredes, especialmente se a vítima estiver perto de bombas de água ou circuitos elétricos. Uma antena de TV no alto de uma torre pode ser um perigo à medida que conduza a corrente elétrica para dentro de casa, via antenas domésticas. Esses acidentes só não acontecem com mais freqüência nas cidades grandes porque as descargas são atraídas para os pára-raios dos edifícios - como se sabe, uma invenção do velho Franklin. De todos os mitos a respeito de relâmpagos e trovões, o de que um raio nunca acerta o mesmo lugar duas vezes seguidas já foi derrubado pelas pesquisas: como o campo elétrico permanece por algum tempo depois de uma descarga, existe realmente a possibilidade de que outro raio volte a fazer o mesmo trajeto. 

Um casal nas nuvens

Uma das formas de estudar uma nuvem de tempestade e seus relâmpagos é ir à origem do acontecimento - por meio de balões atmosféricos. No final do ano passado, um casal de físicos do Instituto de Pesquisas Espaciais (INPE) iniciou uma cuidadosa investigação do fenômeno depois de lançar um balão desse tipo. O lançamento foi um dia de festa, não por tratar-se de uma proeza científica, mas porque os pesquisadores Osmar Pinto Jr. e Iara Cardoso de Almeida Pinto comemoraram dez anos de casados justamente naquela data. Tendo se doutorado praticamente juntos em Ciência Espacial, no próprio INPE, trabalham em equipe para desvendar os mistérios dos relâmpagos. Nessa pesquisa eles utilizam uma sonda esférica de alumínio pesando 50 quilos, pintada com tinta especial à base de carbono, em cujo interior instalaram vários equipamentos de medição.

Num passeio que não durou mais de dez horas, a sonda permitiu medir as cargas elétricas dentro das nuvens de tempestade, os raios e a atuação dessas nuvens nas camadas superiores da atmosfera. O balão levou a esfera a 30 mil metros de altitude e seguiu uma rota a oeste de Cachoeira Paulista, município do interior de São Paulo onde está instalado um centro de lançamento de balões do INPE. "Um dos resultados práticos imediatos do estudo será a possibilidade de alterar algumas rotas de aviões comerciais, para ficarem fora das regiões com maior concentração de cúmulos-nimbos", relata Osmar, "além de obter mais informações para os sistemas de proteção das redes de transmissão de energia elétrica."