31/05/2015

Raios cósmicos podem revelar os segredos dos relâmpagos

Escrito por: Ciências Atmosféricas UFOPA | Horário: 19:48 | Arquivo:

Com um número próximo a 50 milhões de descargas elétricas registrados no País por ano, o Brasil é campeão mundial em incidência de raios. Apesar dos esforços para desvendar os mistérios dos raios, como o experimento de Benjamin Franklin empinando uma “pipa” com uma chave de metal amarrada a ela num dia de tempestade, e toda a sequência de estudos mais sofisticados feitos desde então, raios continuam a ser verdadeiros enigmas científicos. Entretanto, recentemente, pesquisadores habituados a estudarem um outro tipo de “chuva” – chuvas de raios cósmicos – vêm fazendo avanços significativos no desenvolvimento de uma técnica que poderá ajudar a explicar alguns dos processos que originam relâmpagos: raios-cósmicos estão sendo utilizados para inferir algumas das condições que causam as descargas elétricas em tempestades. 
Em linguagem técnica, um relâmpago é uma corrente elétrica muito intensa que ocorre na atmosfera com típica duração de meio segundo e trajetória com comprimento de 5 a 10 km. Quando o relâmpago conecta-se ao solo é chamada de raio, podendo ser denominado ascendente, quando inicia no solo e sobe em direção a tempestade, ou descendente, quando inicia na tempestade e desce em direção ao solo.
A dificuldade em se medir com precisão os campos elétricos nas nuvens de tempestades explica, em parte, nossa dificuldade de compreender como surgem os relâmpagos. As medidas de campo elétrico em nuvens de tempestades são tipicamente feitas com a auxílio de balões meteorológicos ou pequenos foguetes lançados nessas nuvens. Entretanto, tais instrumentos podem alterar o ambiente elétrico e interferir com o fenômeno que se quer estudar: a produção natural de relâmpagos. Essas medidas tradicionais feitas até hoje falham na tentativa de explicar a origem dos relâmpagos  pois ainda não encontraram regiões com campos fortes o suficiente para iniciar um relâmpago. Especula-se que essas regiões de altas intensidade de campo elétrico sejam muito localizadas, ou pode ser que algum outro fator seja necessário para se iniciar o show de luzes.
Raios cósmicos - partículas extremamente penetrantes, tipicamente um próton ou um núcleo atômico, dotadas de alta energia, que se deslocam a velocidades próximas à da luz no espaço sideral - podem ajudar os cientistas a desvendar esse enigma.
Quando raios cósmicos colidem com moléculas na nossa atmosfera, forma-se uma “chuva” de partículas subatômicas como elétrons, pósitrons e outras partículas carregadas eletricamente. À medida que essas partículas se deslocam em direção ao solo, suas trajetórias são encurvadas pelo campo magnético da Terra, o que provoca a emissão de ondas de rádio. Cientistas trabalhando no telescópio para observação de ondas de rádio de baixa frequência, LOFAR (Low Frequency Array) na Radboud University Nijmegen, na Holanda, observam que suas medidas são bem explicadas por modelos de simulação para chuva de raios cósmicos. Porém, estes mesmos modelos falham em descrever o padrão das ondas de rádio quando as medidas com raios cósmicos são feitas durante uma tempestade.
Entre junho de 2011 e setembro de 2014, LOFAR coletou 762 eventos correlacionados a raios cósmico com as energias mais altas detectadas pelo experimento. As medidas feitas quando o tempo estava claro mostram ondas de rádio se propagando seguindo padrões bem ordenados, com polarizações alinhadas e que são bem descritos pelos modelos computacionais de simulação. No entanto, alguns eventos foram observados com anomalias no padrão de propagação das ondas de rádio. Estes foram explicados pela presença de densas nuvens de chuva na vizinhança do telescópio. Redefinindo-se os modelos computacionais para incluir a influência de campos elétricos de alta intensidade, como os gerados pelas nuvens de chuva, os pesquisadores conseguiram reproduzir as anomalias observadas nas medidas.
Estudando em detalhes as ondas de rádio de um dos chuveiros cósmicos influenciado pelo campo elétrico de uma nuvem de tempestade, os pesquisadores identificaram duas camadas na nuvem: uma entre 3 e 8 km acima do solo com campo elétrico de 50.000 V/m, e outra, abaixo desta com campo mais fraco, provocando uma deflexão das partículas da chuva cósmica em direção oposta ao campo superior. Embora estes resultados ainda não expliquem como um relâmpago se inicia, essa é a primeira medida em que uma nuvem de tempestade é inferida por raios cósmicos. 
O primeiro passo para continuar o desenvolvimento de uma técnica que permita utilizar raios cósmicos para entender a formação de relâmpagos em tempestades será publicado em breve num artigo a aparecer no jornal Physical Review Letters.
Há ainda sugestões de que raios cósmicos poderiam ser os elementos iniciadores de relâmpagos.  Espera-se que as medidas do telescópio LOFAR possam também permitir que se investigue a ocorrência de eventos em coincidência entre chuvas de raios cósmicos e descargas elétricas na forma de relâmpagos.
De acordo com estudos do Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), registra-se aproximadamente 130 mortos e mais de 500 feridos por conta dos raios todos os anos no Brasil. O ELAT alerta também que, devido ao aquecimento global, já existem previsões que o número dos raios registrados no Brasil por ano tenha um aumento de até 50% ao final desse século. A interação entre raios cósmicos e o campo elétrico nas nuvens de tempestades pode vir a ser o elemento que faltava para permitir uma melhor e mais precisa compreensão da formação de relâmpagos. Melhorar nossa capacidade de prever a formação de relâmpagos será  de grande importância para prevenir ocorrências de acidentes com raios.

 Representação de uma chuva de raios cósmicos atingindo
os detectores do LOFAR num dia de tempestade.
(Imagem: Radboud University, University of Groningen, e ASTRON)
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Fonte: Fonte: http://portal.cbpf.br/

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