As tempestades são largamente estudadas há vários séculos, porém os mecanismos responsáveis pela eletrização das nuvens ainda é assunto de muito estudo e investigação. Esse entendimento não completo pela comunidade científica sobre a formação e a conseqüente separação das cargas positivas e negativas dentro das nuvens, deve-se a complexidade da própria estrutura elétrica das nuvens e dos processos microfísicos e macrofísicos envolvidos, que ocorrem simultaneamente em seu interior.
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Diversas teorias têm sido propostas ao longo dos anos na tentativa de explicar esses mecanismos responsáveis pela formação e separação das cargas dentro das nuvens. O fato de geralmente os centros de cargas no interior das nuvens estarem localizados em faixas de temperatura abaixo de 0 ºC sugere que a presença de gelo seja um requisito importante para o processo de eletrização (PINTO Jr e PINTO, 2000). Portanto, as teorias mais aceitas postulam que a colisão entre cristais de gelo e pedras leves de granizo de diferentes tamanhos seja um dos mecanismos de transferência de cargas elétricas responsáveis pela formação dos centros dessas cargas elétricas. Dois processos típicos que levam em consideração as colisões entre os cristais de gelo e granizo são: o processo indutivo e o termoelétrico, tendo como papel predominante o campo elétrico ambiente e a temperatura, respectivamente. Um processo alternativo para eletrização das nuvens é o de eletrificação convectivo, onde se considera a produção das cargas elétricas por raios cósmicos. Esses três processos são discutidos com mais detalhes na próxima seção.
2.3.1 Processo Colisional Indutivo
Este processo, inicialmente proposto por Elster e Geitel em 1913, considera o granizo como uma esfera condutora, de forma que durante seu movimento de queda em um campo elétrico uniforme dirigido para baixo no interior da nuvem, cargas elétricas são induzidas no interior do granizo. Assim, a parte superior do granizo fica polarizada negativamente e a inferior positivamente. O cristal de gelo ao colidir na parte inferior do granizo remove cargas positivas, tornando o granizo negativamente carregado e o cristal de gelo carregado positivamente (Figura 2.5). Sendo o granizo mais massivo, ele se deposita na base da nuvem, enquanto o cristal de gelo fica suspenso na nuvem, criando assim uma configuração de um dipolo (cargas positivas no topo da nuvem e negativas na base), reforçando deste modo o campo elétrico no interior da nuvem (WALLACE e HOBBS, 1977).
Através de um tratamento teórico, B. J. Manson em 1988, concluiu que granizos de baixa densidade em queda no interior de uma nuvem com gotículas super-resfriadas,
podem produzir campos elétricos com cerca de 4.000 V/m em aproximadamente 10 minutos (SOLORZANO, 1998). Alguns estudos mostraram que gotículas super-resfriadas ao colidir com um granizo em um campo elétrico radial removem mais cargas do que em um vertical. Isto se deve ao fato de que em um campo radial a diferença de potencial entre o granizo e sua vizinhança é tal que, em qualquer ponto da sua superfície, colisões tangenciais separam a mesma quantidade de carga. Por outro lado, em um campo elétrico vertical as colisões ocorriam próximas ao equador horizontal, onde se tem poucas cargas para serem transferidas.
Considerado aceito por muitos anos, este processo vem sofrendo críticas, pois experimentos em laboratório têm mostrado que o campo elétrico de tempo bom, não é suficiente para induzir cargas no granizo. Desta forma, acredita-se que o mesmo não seja responsável pela formação das cargas no estágio inicial, de modo que este processo atua apenas para intensificar os centros de carga já existentes, devido a outros processos (PINTO Jr e PINTO, 2000).
Figura 2. 5 - Um granizo esférico polariza-se na presença de um campo elétrico ambiente.
Partículas de gelo que venham a colidir com a parte de baixo do granizo removem suas cargas positivas, tornando-a negativamente carregada, processo denominado Colisional Indutivo.
Fonte: Naccarato (2005).
2.3.2 Processo Colisional Termoelétrico
Este processo foi estudado pela primeira vez na década de 50 através de experimentos de simulação de nuvens. Considera-se que a polaridade das cargas transferidas durante a colisão não depende do campo elétrico local, e sim da temperatura de inversão (TIV) e da temperatura no local da colisão (TC). A temperatura de inversão é estimada em aproximadamente -15 ºC, localizando-se a cerca de 6 km de altura, próximo a região de cargas negativas (WILLIAMS, 1989). Se TC for maior que -15 ºC, o granizo fica positivamente carregado e o cristal de gelo negativamente. Logo, devido a correntes de ar ascendentes, os cristais ascendem criando um centro de carga negativa próximo à linha de -5 ºC e um positivo na base da nuvem, devido ao granizo. Por outro lado, se TC for menor que TIV, o granizo tenderá a perder cargas positivas, tornando o cristal carregado positivamente e o granizo negativamente. A configuração resultante é uma estrutura tripolar dentro da nuvem. A Figura 2.6 ilustra o processo colisional termoelétrico.
Estudos das últimas décadas têm mostrado que a polaridade da carga transferida entre as partículas além de depender da temperatura do ambiente, sofre forte influência da quantidade de gotícula super-resfriada no local da colisão. Quanto maior essa quantidade, mais os granizos se aquecerão ao colidir com elas, devido à maior liberação de calor latente, alterando assim a temperatura da superfície do granizo e atuando de modo a alterar o valor da TIV. Segundo Williams (1989), a quantidade de carga transferida depende da velocidade de impacto da colisão e do tamanho dos cristais de gelo. Por exemplo, um cristal de gelo de 100µm de diâmetro teria um limite de 1 a 50 10-15 C, de cargas transferidas aparentemente dependendo dos detalhes da colisão.
Figura 2. 6 - Microfísica da transferência de carga envolvendo colisões entre granizo e cristais de gelo em função da temperatura do ambiente, processo denominado colisional termoelétrico.
Fonte: Williams (1988).
2.3.3 Processo de Eletrificação Convectivo
Este modelo de eletrificação de nuvens foi formulado primeiramente por Vonnegut em 1953. Considera-se que as cargas são fornecidas inicialmente pelos raios cósmicos que ionizam as moléculas próximas ao topo das nuvens (criando cargas negativas) e pelo forte campo elétrico associado a objetos pontiagudos, na superfície da Terra, que produzem uma descarga corona de íons positivos. Desta forma, a nuvem Cumulus em seu estágio de crescimento arrasta, através de suas correntes ascendentes, esses íons positivos que se encontram próximos a sua base. Ao entrar na nuvem, essas cargas positivas são aprisionadas por gotículas de água e levadas até o topo da nuvem, atraindo cargas negativas nesta região (Figura 2.7). Assim, essas cargas negativas são aprisionadas pelas partículas presentes na fronteira da nuvem, formando uma camada de blindagem de cargas negativas nesta região. Alguns íons negativos capturados por
gotículas de água e cristal de gelo nas bordas da nuvem são carregados até a base da nuvem pelas correntes descendentes, formando um dipolo positivo (WILLIAMS, 1989).
Esse mecanismo apresenta algumas contradições que ainda não foram resolvidas, embora existam evidências que ele de fato ocorre (VONNEGUT, 1991). Entre elas está o fato de que não há evidências de que os íons positivos criados por efeito corona sejam suficientes para eletrificar a nuvem, uma vez que o processo de penetração de cargas positivas na base da nuvem parece ser excessivamente lento para contribuir para a eletrificação. Por outro lado, questiona-se como um campo elétrico tão intenso que gera o efeito corona, não seja capaz de romper a rigidez dielétrica dentro da nuvem. Devido a estes e outros fatores, este processo é alvo de melhorias conceituais e pouco aceitamento.
Figura 2. 7 - Desenvolvimento do centro de cargas negativas na parte mais baixa da nuvem durante o processo denominado colisional termoelétrico.
Fonte: Naccarato (2005).