INPE-00000-TDI/0000
MEDIDAS DE CORRENTE CONTÍNUA EM RAIOS NUVEM-SOLO NEGATIVOS NATURAIS NO BRASIL: DESENVOLVIMENTO DE
INSTRUMENTAÇÃO E PRIMEIROS RESULTADOS
Evandro de Carvalho Ferraz
Tese de Doutorado do Curso de Pós-Graduação em Geofísica Espacial, orientada por Dr. Marcelo Magalhães Fares Saba e Dr. Osmar Pinto Jr.
INPE
São José dos Campos 2009
Livros Grátis
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Raio – Descarga atmosférica - Corrente contínua – Componente M - Descarga de retorno
Lightning - atmospheric discharge – continuous current – M component – return stroke
AGRADECIMENTOS
A Deus, que sempre está comigo no caminho da vida.
A meus pais e filhas, não por hoje, ou por esses anos difíceis, mas pelo sempre.
Aos meus orientadores, Dr. Marcelo Magalhães Fares Saba e Dr. Osmar Pinto Jr., pela orientação deste trabalho e principalmente pela motivação.
Aos amigos do Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT) pelo apoio e pelas valiosas contribuições e sugestões dadas, em especial ao Anderson por toda a paciência e grande ajuda.
A todos os amigos que me apoiaram e me ajudaram com ferramentas cruciais para a elaboração desse trabalho.
Ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais pelo apoio na realização desta pesquisa.
RESUMO
Este trabalho apresenta o primeiro estudo quantitativo da corrente contínua (Icc) em descarga de retorno de raios nuvem-solo negativos (NS-) naturais no Brasil. A Icc presente em alguns raios é uma corrente de baixa intensidade, mas que pela sua longa duração transfere uma grande quantidade de carga elétrica. É, portanto responsável pelos danos associados ao aquecimento de metais e superfícies em contato com a descarga. Para uma observação precisa da duração das Icc bem como das flutuações rápidas do seu brilho (componentes M), o presente estudo utilizou câmeras de alta velocidade, ajustadas para adquirir entre 1000 e 4000 quadros por segundo. Para medir a intensidade das correntes envolvidas, foi desenvolvido um sensor de campo elétrico com sensibilidade suficiente para estimar a carga transferida por descargas ocorridas até 30 km de distância do sensor. O sincronismo de tempo entre os sensores permitiu que todos os eventos analisados tivessem sua localização fornecida pela Rede Brasileira de Detecção e Localização de Raios (BrasilDat). Os valores de intensidade de corrente para 89 casos de Icc amostrados na região sudeste do Brasil, foram duas vezes maiores do que os até então encontrados na literatura, cuja procedência restringe-se a, pouco mais de 30 casos de ocorrências na Flórida (EUA) e 16 casos no Novo México (EUA). Os valores de carga transferida foram aproximadamente três vezes mais altos dos que os citados na literatura. O valor máximo de corrente foi superior a 1400A, com uma média de 292 A; a duração máxima das Icc foi de 482 ms e a média de 170 ms. A máxima carga transferida foi de 370 C, sendo a média de 51 C. Para algumas Icc foi analisada também a variação de luminosidade do canal. A comparação da luminosidade com a corrente mostrou uma proporcionalidade linear entre os dois parâmetros. Este resultado corrobora, pela primeira vez para raios naturais, esta linearidade observada para raios ascendentes em torres. Além disso, valores da corrente da componente M foram medidas pela primeira vez no Brasil. Observou-se que a carga transferida pela componente M pode chegar à ordem de grandeza de uma descarga de retorno (DR) sem Icc.
MEASURING OF CONTINUING CURRENTS IN NATURAL NEGATIVE CLOUD-TO-GROUND LIGHTNING ON BRASIL: DEVELOPMENT OF
EQUIPMENT AND FIRST RESULTS
ABSTRACT
This work presents the first quantitative study of the continuing current (Icc) in negative cloud-to-ground flashes (-CG) in Brazil. The Icc is a low intensity current that follows some return strokes in –CG flashes. Their long durations result in large charge transfers that are responsible for most lightning damage associated with thermal effects. In this study, a precise observation of the duration of Icc was obtained using high-speed cameras operating with 1000 to 4000 images per second. In order to measure the intensities of the Icc, an electric field sensor was developed with a sensitivity that could allow the measurement of charge transfers by Icc events occurring up to 30 km away. Time synchronization of the high-speed camera and the BrasilDat (Brazilian Lightning Location System) allowed the determination of the distances of each event. The current intensities measured in Brazil were approximately two times greater than past measurements done in Florida, USA (30 events) and New Mexico, USA (16 events). The charge transfers were approximately three times greater than the previous values obtained in these studies. Maximum measured values for current were higher than 1400 A, and the average was 292 A. Maximum Icc duration was 482 ms and the average was 170 ms. The maximum charge transfer observed was 370 C, and the average was 51 C. The luminosity variation of the lightning channel was also analyzed. The relationship between luminosity and current during Icc proved to be linear in all cases. This result corroborates for the first time for natural lightning, this linearity previously observed for upward lightning in towers. M-components current intensity were measured for the first time in Brazil. The charge transfer of some M-components may be of the order of return strokes without Icc.
SUMÁRIO
Pág.
LISTA DE FIGURAS ... LISTA DE TABELAS ...
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS ... LISTA DE SÍMBOLOS ...
1 - INTRODUÇÃO ... 25
1.1 - Conceitos ... 25
1.2 - Motivações para o estudo da icc... 27
1.3 - Objetivos principais... 28
1.4 - Estrutura da tese... 28
2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 29
2.1 - Raios naturais: características básicas... 29
2.1.1 - Definição e tipos de raios... 29
2.1.2 - Raio nuvem-solo negativo... 31
2.1.2.1 - Corrente contínua... 40
2.1.3 - Raio nuvem-solo positivo... 42
3 - CAMPO DE ESTUDOS DE RAIOS E INSTRUMENTAÇÃO... 43
3.1 - Introdução... 43
3.2 - Técnicas experimentais... 44
3.2.1 - Sensor de campo elétrico lento... 45
3.2.2 - Rede brasileira de detecção de descargas atmosféricas – BrasilDat. ... 54
Pág.
3.2.3 - Câmera rápida I... 59
3.2.4 - Câmera Rápida FASTCAM 512 PCI 2k... 62
3.2.5 - Teoria utilizada para o cálculo da carga e da Icc... 63
3.2.6 - Cálculo das distâncias entre os raios e o sensor... 65
3.2.7 - Levantamento da altura do centro negativo de cargas na nuvem... 66
3.2.8 - Deconvolução da curva de campo elétrico... 71
3.2.9 - Cálculo da Icc média e da carga transferida... 76 4 - RESULTADOS GERAIS... 81 4.1- Introdução... 81 4.1.1 - Desenvolvimento da Pesquisa... 81 4.1.2 - Logística operacional... 83
4.2 - Resultados gerais de todas as campanhas... 84
4.2.1 - Distribuição das distâncias... 89
4.2.2 - Carga transferida pela Icc... 90 4.2.3- Duração da Icc... 92
4.2.4- Valor médio da Icc... 93
4.2.5- Estudo da correlação luminosidade – Icc. ... 98
4.2.5.1 - Estudo de caso: correlação luminosidade – M... 100
5 - CONCLUSÃO... 105
APÊNDICE A - Programa em IDL 5.3 Usando, para cálculo
da carga transferida, uma aproximação da
curva de radiação para 5 retas... 113
APÊNDICE B - Programa IDL 2, usado para o cálculo da
carga transferida e da curva real de radiação....
117
APÊNDICE C - Todas as formas de onda de campo elétrico
LISTA DE FIGURAS
Pág.
1.1 Histograma da distribuição percentual da ocorrência de Icc
longa por raio... 26
2.1 - Fotografia de raios noturnos, ocorridos em São José dos Campos utilizando-se a técnica de longa exposição ... 29
2.2 Ilustração dos tipos de relâmpagos... 30
2.3 Etapas de um raio nuvem-solo negativo... 32
2.4 Etapas do raio 18 (NS -), filmado em 12 de fevereiro de 2008, em São José dos Campos - SP... 37
2.5 Variação do campo elétrico do líder escalonado precedendo uma DR de um raio NS- registrado em 23/3/2005, a 26 km de distância em São José dos Campos - SP. Os pulsos característicos que antecedem o líder escalonado ocorrem aproximadamente 2 ms antes da descarga de retorno... 39
3.1 Visão geral da torre do campo de observações de descargas atmosféricas do ELAT. ... 44
3.2 Foto da antena prato instalada no campo de observações de descargas atmosféricas do ELAT. ... 46
3.3a Detalhes das placas metálicas paralelas. ... 48
3.3b Detalhes do sensor capacitivo e da caixa da eletrônica... 49
3.4 Foto do osciloscópio TDS3014. ... 50
3.5 Curva de calibração do sensor de campo lento... 50
3.6 Curva de resposta do sensor de campo lento... 52
3.7 Foto do sensor instalado no solo, tirada do topo a torre... 53
3.8 Curvas de tensão do raio 164, medidas no solo e na torre simultaneamente (razão de 2,5). ... 54
3.9 Rede Nacional de Detecção e Localização de relâmpagos - BrasilDat. Os losangos brancos indicam a localização dos sensores. ... 56
3.10 Tela do sistema de monitoramento apresentando diversos raios e a data, horário, latitude, longitude, polaridade e pico de corrente de um deles. ... 58
3.11 Tela do sistema de monitoramento destacando o município de São José dos Campos. ... 59
3.12 Câmera HS-1 com sua placa de interface com o PC... 60
3.13 Foto da câmera com o sensor CCD exposto... 62
3.14 Câmera rápida FASTCAM 512 PCI 2k em seu módulo móvel utilizado na campanha. ... 63
3.15 Representação gráfica dos vetores do campo eletrostático que se desenvolvem sobre o sensor, devido a uma carga espacial Q-... 64
3.17 Perfil de temperatura da atmosfera do dia 07 de marça de
2008... ... 70 3.18 Curva do Raio 62 ressaltando o ajuste em vermelho... 72 3.19 Curva integral do Raio 62 sem correção, destacando a
presença da Icc. ... 73 3.20 Curva, original (Preta) e corrigida (Azul), do trecho com Icc do
Raio 62... 74 3.21 Curva do raio 62 aplicada a deconvolução e aproximada para 5
segmentos de retas. ... 77 3.22 Curva do raio 62 aberta pelo IDL. ... 78 3.23 Curva com e sem deconvolução do raio 62, para o trecho que
apresentou Icc. ... 79 3.24 Curva suavizada de corrente do raio 62, para o trecho que
apresentou Icc. ... 80 4.1 Histograma da distribuição das distâncias dos raios utilizados.
... 89 4.2 Histograma da distribuição das cargas transferidas devido a Icc,
sem correção e 4.2 b) corrigida pelo fator de 1,6... 91 4.3 Histograma de distribuição da duração da Icc... 93 4.4 Histograma de distribuição da intensidade média da Icc... 94 4.5a Diagrama de dispersão da carga transferida em função do
tempo da Icc.
... 95 4.5b Diagrama de dispersão da carga transferida. Dados de Brook et
al., 1962 e Shindo e Uman, 1989, com aplicação do fator de
correção de1,8 (deconvolução). ... 96 4.6 Ensaio em cabo OPGW aplicando carga de 50 C e de 100C... 97 4.7a Forma de onda de corrente versus tempo, superposta a curva
de luminosidade versus tempo, do raio 44... 99 4.7b Diagrama de dispersão entre a corrente e a luminosidade do
raio 44. ... 100 4.8a Comportamento do brilho do canal, apenas para a nona DR
seguida de Icc, com componente M, limitada em 30 ms... 101 4.8b Curva completa de luminosidade da DR_9 do raio 13... 102 4.9 Tratamento usando IDL para calcular as correntes e carga total
LISTA DE TABELAS
2.1 Principais características e correspondentes valores típicos dos raios NS- apresentados na literatura... 38 3.1 Campos elétricos aplicados (em V/m) e as respectivas saídas
do sensor de campo lento. ... 51 3.2 Raios com Icc, filmados e digitalizados que foram utilizados
neste estudo... 68 3.3 Página do INPE com os dias e estações em que ocorreram
radiossondagem. ... 69 3.4 Pressão e altura das isotermas de 0°C e -15°C, para os dias de
campanha, indicando a altura média utilizada como altura do
centro negativo de carga. ... 71 3.5 Comparativo do cálculo da carga transferida aplicando e não
aplicando a deconvolução. Relação média entre valores igual a 1,6... 75 3.6 Resposta do Programa Icc_5_Steps_E, aplicado ao raio 62.
Carga total = 8,8 C, Icc média total = 44,9 A... 77 4.1 Calendário das Campanhas Realizadas... 82 4.2 Raios que compuseram a base de dados... 85 4.3a Raios estudados com as respectivas distâncias, Icc média e
valores das cargas transferidas calculados pelos dois
programas... 87 4.3b Raios estudados com as respectivas distâncias, Icc média e
valores das cargas transferidas calculados pelos dois
programas(continuação). ... 88 4.4 Resposta do programa ao raio 13 DR_9 mais uma coluna de
carga... 103
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ALDF Advanced Lightning Direction Finder AZ Arizona
BrasilDat Rede Brasileira de Detecção e Localização de Raios IccCMC Corrente Contínua Curta ou Muito Curta
IccL Corrente Contínua Longa
CEMIG Companhia Energética de Minas Gerais DR
DTOA Diference of Time-Of-Arrival ELAT Grupo de Eletricidade Atmosférica GPS Global Positioning System
Icc Corrente Contínua
IN Intranuvem
IMPACT IMProved Accuracy from Combined Technology INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais LPATS Lightning Positioning And Tracking System MDF Magnetic Direction Finder
MG Média Geométrica
NASA National Atmospheric and Space Administration NS- Nuvem solo negativo
NS+ Nuvem solo positivo
RINDAT Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas
SIDDEM Sistema de Informações Integradas baseado no sistema de Detecção de Descargas Atmosféricas
SIMEPAR Sistema Meteorológico do Paraná SIPAM Sistema de Proteção da Amazônia TOA Time-Of-Arrival
VHS Video Home System
LISTA DE SÍMBOLOS
+, - Íons positivos e elétrons, respectivamente E Campo elétrico, V/m
T Intervalo ou período de tempo t Instante de tempo
ε
0 Permissividade do vácuo D Comprimento, m I Corrente elétrica, A Q Carga elétrica, C H Altura, m r Distância em m1 INTRODUÇÃO 1.1 – Conceitos
Relâmpagos são descargas elétricas que ocorrem na atmosfera devido ao acúmulo de cargas, criando uma diferença de potencial suficiente para quebrar a rigidez dielétrica do ar. Nuvens Cumulonimbus são as mais comuns geradoras dos relâmpagos e também o tipo de nuvem mais estudado. Os primeiros trabalhos relacionando tais nuvens de tempestade e descargas elétricas foram publicadas já na primeira metade do século XIX. Dentre todos os tipos de relâmpagos, chamaremos de raio os que envolvem o solo.
Os raios nuvem-solo negativos (NS-) são aqueles que trazem para o solo cargas negativas. Têm sua origem na parte inferior da nuvem, onde os centros negativos de carga se formam e são normalmente compostos de várias descargas cujo pico de corrente é da ordem de dezenas de quiloampères. Essas descargas são denominadas descargas de retorno (DR). Os raios negativos possuem em média 3 a 4 DRs e em poucos casos passa de 15 DR. Já os raios nuvem-solo positivos (NS+), provenientes de centros de carga positivos situados na parte superior da nuvem, possuem normalmente apenas 1 DR. Tanto as DRs dos raios NS- quanto as dos NS+ podem ser discretas (com duração de até 70 µs) ou seguidas de uma corrente elétrica que apesar de pouca intensidade (centenas de ampères), pode ter duração de até algumas centenas de milissegundos. Esta corrente que persiste após a ocorrência da DR é chamada de corrente contínua (Icc). A Icc pode ser visualizada como um arco quase-estacionário entre a nuvem e o solo.
Pela sua longa duração, podendo chegar a quatro ordens de grandeza maior que a duração média das DRs discretas e estando presente em aproximadamente 23% dos raios NS negativos, Correia e Saba (2008), como apresentado no histograma da Figura 1.1, elas constituem um dos principais fatores destrutivos dos raios e são principalmente responsáveis pelos prejuízos associados com efeitos térmicos. Correia e Saba (2008) analisaram 1174
vídeos de raios filmados com câmera rápida, onde chegaram a constatar a presença de até 4 Icc (um caso), num único raio. Este é provavelmente o maior banco de dados deste tipo do mundo.
Figura 1.1 - Histograma da distribuição percentual da ocorrência de Icc longa por raio.
Como exemplos de prejuízos associados com efeitos térmicos, podemos citar: incêndios em florestas, buracos na fuselagem de aeronaves, rompimento de cabos-guarda de linhas de transmissão, rompimento de cabos OPGW, queima dos fusíveis usados para proteger transformadores de distribuição, etc.
A Icc pode apresentar fortes perturbações, com durações relativamente curtas, tipicamente menores que 10 ms (Campos et al., 2007), que são chamadas de componentes M. Segundo alguns autores, estas componentes podem chegar a ter pico de corrente de até alguns quiloampères (RAKOV; UMAN, 2003).
1.2 – Motivações para o estudo da Icc.
A motivação para o estudo da Icc veio essencialmente de três fatores: a) os raios que possuem Icc são muito comuns (aproximadamente 23% dos NS-); b) as Icc, devido as suas altas transferências de carga, são as responsáveis pela maioria dos prejuízos fundamentalmente associados aos efeitos térmicos; e, principalmente, c) o fato de que até o presente momento, não existe nenhum outro estudo quantitativo das Icc para o Brasil e, portanto, todos os ensaios e especificações de materiais que estarão submetidos diretamente às descargas elétricas são baseados em estudos realizados nos EUA.
A seguir, são listados alguns exemplos de estudos realizados sobre os efeitos da Icc para demonstrar o interesse e relevância do assunto.
Latham, 1991; Latham e Williams, 2001; França 2004, realizaram estudos relacionando as Icc com o início de incêndio em florestas. Fernandes et al. (2006), estudaram a influência da fumaça nas características dos raios NS. Já Alvin et al., 2006 realizaram estudos relacionando as Icc com o rompimento de cabos para raios em linhas de transmissão e Fuquay et al., 1967, a danos ocorridos em fuselagem de aeronaves. Grupos de trabalho nacionais, no âmbito do CB03/ABNT, têm proposto especificações e métodos de ensaios para avaliação dos efeitos de descargas elétricas em cabos OPGW. Há também a fadiga nos transformadores de distribuição de energia elétrica. A maior parte da Icc em sistemas elétricos com neutro aterrado pode fluir para a terra através dos enrolamentos do transformador sem causar qualquer prejuízo imediato ao mesmo. Entretanto, isso causa aquecimento excessivo das bobinas podendo ocasionar o rompimento do dielétrico o que certamente leva a um aumento da temperatura normal de funcionamento do transformador e a uma forte redução de sua vida útil. Pode ainda ter um considerável efeito na queima dos fusíveis usados para protegê-los.
1.3 – Objetivos principais
A presente tese de doutorado tem como objetivos principais:
¾ Desenvolver instrumentação capaz de medir a intensidade da Icc através do campo elétrico irradiado por ela;
¾ realizar pela primeira vez no Brasil um estudo quantitativo da intensidade das Icc e da carga transferida;
¾ quantificar a duração das Icc;
¾ estudar, quantitativamente e qualitativamente, as componentes M; ¾ estudar a relação entre os valores da Icc e a luminosidade do canal; e ¾ comparar os resultados obtidos com os de outros grupos de pesquisa
disponíveis na literatura.
1.4 – Estrutura da tese
Esta tese de doutorado consiste de 5 capítulos e 3 apêndices. O capítulo 1 traz a introdução fundamental ao estudo. O Capítulo 2 contém uma revisão bibliográfica básica, que trata das características elétricas dos raios e das técnicas de medida das Icc. O Capítulo 3 apresenta uma descrição do equipamento desenvolvido para a medição das Icc, de como foi feita a calibração do mesmo e do local onde foram montados todos os equipamentos necessários para se realizar as medições. O Capítulo 4 traz os resultados gerais deste estudo, como as análises referentes à duração máxima e média das Icc, ao percentual de múltiplas Iccs num mesmo raio, à presença das componentes M e a sua corrente média, e à correlação entre a Icc e a sua luminosidade. O Capítulo 5 apresenta as conclusões relevantes para as primeiras medidas de Icc no Brasil, realizadas na região sudeste, em São José dos Campos – SP.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 – Raios naturais: características básicas 2.1.1 – Definição e tipos de raios
Uma descarga atmosférica é definida como sendo uma descarga transitória de alta corrente cujo comprimento percorrido tem dimensão de quilômetros (Uman e Krider, 1989). Eles naturalmente ocorrem na presença de nuvens de tempestade do tipo Cumulonimbus (Figura 2.1)
Figura 2.1 - Fotografia de raios noturnos, ocorridos em São José dos Campos utilizando-se a técnica de longa exposição.
De modo geral, as descargas atmosféricas naturais (relâmpagos) que tocam o solo são chamadas de Nuvem-solo (NS) e os relâmpagos que não tocam o solo são classificados como Intranuvem (IN) (Figura 2.2).
Figura 2.2 Ilustração dos tipos de relâmpagos.
As descargas atmosféricas IN são as mais freqüentes (cerca de 80% do número total), mas pouco estudadas por ocorrerem em meio à opacidade da nuvem e por não trazerem prejuízos à sociedade. Sua investigação requer o uso de antenas de rádio freqüência.
Os relâmpagos NS, embora não sejam tão freqüentes quanto os IN, são os mais estudados por estarem mais acessíveis à observação visual e principalmente por causa do perigo que apresentam às pessoas e prejuízos que infringem à sociedade. Todas as descargas atmosféricas que envolvem o solo (relâmpagos NS) são denominadas simplesmente de raios.
Os raios podem ainda ser classificados segundo a sua polaridade. Esta classificação identifica a descarga pelo sinal da carga líquida trazida ao solo. Uma descarga nuvem-solo negativa traz uma carga líquida negativa, descarregando parte do centro de carga negativo da nuvem. Já a nuvem-solo
positiva traz uma carga líquida positiva, descarregando parte do centro de carga positiva da nuvem.
Os raios nuvem-solo negativos têm origem no centro negativo de cargas próximo à base da nuvem e são mais freqüentes que os positivos, exceto no final da tempestade, quando há um predomínio dos raios positivos. Os raios positivos, talvez por serem em menor número (aproximadamente 10% do total), são menos conhecidos e só foram estudados mais detalhadamente nas últimas décadas. Eles se originam no centro positivo de cargas transportando do solo para a nuvem uma carga negativa, o que seria equivalente a transferência de cargas positivas para o solo (SABA, 1997).
2.1.2 - Raio nuvem-solo negativo
O raio NS- é um fenômeno bastante complexo, composto por vários processos, alguns dos quais envolvendo descargas internas à nuvem e outros envolvendo canais que emergem da nuvem. Os processos que ocorrem fora do volume da nuvem, por serem visíveis, podem ser registrados por equipamentos ópticos (câmeras fotográficas e filmadoras). Isso permite a realização de estudos envolvendo a geometria do canal, a multiplicidade (número de descargas que ocorrem num mesmo raio), a criação de novos canais e a determinação do número de pontos de impacto no solo, bem como a presença e o tempo da Icc e outras características relacionadas ao brilho do canal.
A Figura 2.3 mostra uma representação das 6 fases e repete as duas últimas que ocorrem tantas vezes quanto for a multiplicidade do raio.
Figura 2.3 Etapas de um raio nuvem-solo negativo.
FONTE: Modificada de Lutgens e Tarbuck (1982, p. 244).
Um raio N-S negativo segue necessariamente seis etapas, a saber: (a) descarga P-N, (b) líder escalonado, (c) descarga conectante, (d) DR, (e) líder contínuo e (f) DR subseqüente (SABA et al., 1997). A seguir descreveremos essas etapas e o campo elétrico medido no solo até a primeira DR.
a) Os raios nuvem-solo negativos começam com pequenas descargas entre o centro positivo secundário, situado na base da nuvem e o centro negativo (descarga P-N), Figura 2.3a, causando uma liberação dos elétrons ligados às partículas de água ou gelo. Essas descargas geram as variações do campo elétrico observadas imediatamente antes do início do líder entre a nuvem e o solo e são conhecidas como quebra da rigidez dielétrica preliminar ou inicial (preliminary breakdown). Esse processo inicial ocorre internamente à nuvem e inicia ou propicia o processo seguinte, conhecido como líder escalonado (stepped leader);
b) Nesta fase uma frente de onda emitindo fraca intensidade luminosa (geralmente não visível a olho nu) se propaga em direção ao solo, criando um canal ionizado (caminho condutor). Essa descarga é denominada líder escalonado (stepped leader), Figura 2.3b. O líder escalonado propaga-se para baixo até chegar próximo ao solo, cerca de 5 a 100 m do solo, em passos de aproximadamente 50 m de comprimento separados por pausas de 50 µs e velocidade média da ordem de 105 m/s (SABA et al. 2007). O líder escalonado geralmente ramifica-se fortemente, mas apenas um ou dois de seus ramos estendem-se até o solo;
c) Uma descarga conectante surge com a intensificação do campo elétrico entre o solo e a parte frontal do líder escalonado. Tal descarga conectante geralmente parte de objetos pontiagudos existentes na superfície como sistemas de pára-raios, árvores ou edifícios, e então se desloca em direção à parte frontal do líder escalonado, Figura 2.3c;
d) Quando ocorre a conexão entre a descarga conectante e o líder escalonado, fecha-se o circuito com um caminho no ar altamente ionizado, que passa a
apresentar uma forte luminosidade devido ao abrupto e intenso aumento da corrente no canal, denominada descarga de retorno, identificado na Figura 2.3d como o trecho mais escuro do canal. É justamente esta descarga que é vista quando observamos um raio. Ainda que preferencialmente o raio atinja os objetos mais altos, isso nem sempre acontece. Na DR, as cargas negativas (elétrons) presentes no canal já ionizado pelo líder escalonado são aceleradas, o que cria uma corrente ascendente (os elétrons fluem da nuvem para o solo) com picos na ordem de 30 kA em média, podendo variar entre poucos quiloamperes a centenas de quiloamperes. A velocidade de propagação da frente de onda (ou da luminosidade ao longo do canal) é da ordem de 108 m/s (um terço da velocidade da luz). A duração de tal descarga é de aproximadamente 70 µs, Figura 2.3e. Em média, ocorrem 3 DRs por raio, mas há registros de casos com até 26 DRs na literatura;
e) Quando o canal do raio está fracamente ionizado tem inicio o líder contínuo que deve ionizá-lo novamente. O líder contínuo caracteriza-se por possuir baixa intensidade de corrente e velocidade típica de (1-2).107 m/s. Esta etapa ocorre somente quando ainda existem centros de cargas disponíveis no interior da nuvem, próximo do canal feito anteriormente (Figura 2.3 f,h). Estudos mostram um maior espalhamento horizontal desses centros. (KREHBIEL et al., 1979).
f) Após o líder contínuo ter ionizado o canal, outra DR ocorre, sendo esta chamada DR subseqüente (subsequent stroke). A diferença essencial entre a primeira DR e a subseqüente é que a primeira é precedida de líder escalonado, pois não existe canal algum, enquanto que a segunda é precedida pelo líder contínuo, que apenas refaz um canal previamente existente (Figura 2.3 g,i), o que explica sua maior velocidade.
Quando um raio apresenta duas ou mais DRs é chamado de raio múltiplo. Algumas vezes o olho humano é capaz de perceber essas descargas ao observar um leve cintilamento do canal do raio.
Também é bastante frequente uma DR seguir um caminho diferente da DR anterior. Neste caso o líder em questão pode percorrer parte do caminho já trilhado por uma DR anterior e depois ter de abrir um caminho novo pelo ar ainda virgem. Neste caso o líder é chamado de líder contínuo-escalonado. Ainda, em cerca de 30% dos raios, pelo menos uma DR é seguida por uma corrente de longa duração, que pode ser entendida como sendo “um arco quase-estacionário entre a fonte de carga na nuvem e o solo” e que é chamada de corrente contínua (Icc).
Valores típicos de Icc estão entre dezenas e centenas de amperes, com duração de até centenas de milissegundos” (RAKOV; UMAN, 2003, XIE et al. 2007). Entre o pico de corrente da DR e o nível quase-estacionário Icc, chama-se de corrente intermediária, uma etapa de transição, com duração de alguns milissegundos e corrente da ordem de alguns quiloamperes (UMAN, 1987). Neste estudo foram encontrados, na grande maioria dos casos, duração de 5 ms para essa corrente intermediária, valor este utilizado como padrão para a separação do final da DR e o inicio da Icc.
O maior poder destrutivo dos raios com Icc se explica pelo fato da corrente ser aplicada por mais tempo sobre os materiais (décimos de segundos e não alguns milésimos de segundos como nas descargas sem Icc). Essa longa duração da descarga resulta em maior transferência de carga nos raios com Icc que pode chegar a ser dezenas de vezes maiores que nos raios sem Icc.
A Figura 2.4 ilustra as características luminosas típicas de um raio NS negativo. Foi usado o raio 18 como exemplo, filmado em São José dos Campos, no dia 12 de fevereiro de 2008. A filmadora utilizada foi a HS II, ajustada para fazer 4000 quadros por segundo, o que nos dá uma resolução temporal de 250.10-6 s. Nesta taxa é possível visualizar, para um caso real, as etapas ilustradas na Figura 2.3. Obviamente não foram colocadas todas as imagens geradas pela filmadora devido a sua redundância. Foram então escolhidas as que melhor representavam cada etapa da descarga,
mantendo-se os mesmos índices da Figura 2.3 para a Figura 2.4. Cabe apenas ressaltar que as duas imagens (g) apesar de iguais, não são as mesmas, mas sim a comprovação óptica de uma nova DR aproveitando o mesmo caminho de uma DR anterior, mesmo separadas por longos períodos de tempo (neste caso maior que 32 ms).
A Tabela 2.1 exibe as principais características e valores típicos correspondentes aos raios NS-.
b b
b b
c d
e f
g g
Figura 2.4 - Etapas do raio 18 (NS -), filmado em 12 de fevereiro de 2008, em São José dos Campos - SP.
17h30’17.149” 17h30’17.1495” 17h30’17.1915” 17h30’17.14975” 17h30’17.2265” 17h30’17.148” 17h30’17.147” 17h30’17.144” 17h30’17.150” 17h30’17.192”
Tabela 2.1 - Principais características e correspondentes valores típicos dos raios NS- apresentados na literatura
CARACTERÍSTICA VALORES TÍPICOS
Líder Escalonado
Comprimento dos passos 50 m Intervalo de tempo entre os passos 20 - 50 µs Velocidade média de propagação 2.105 m/s
Corrente 100 A Duração total 35 ms Descarga de Retorno Velocidade de propagação (1-2).108 m/s Pico de corrente 30 kA Comprimento do canal 5 km Duração 70 µs Líder Contínuo Velocidade de propagação (1-2).107 m/s Corrente 1 kA Duração total 1 – 2 ms Descarga Subseqüente Corrente 10 – 15 kA Velocidade de propagação (1-2).108 m/s Corrente Contínua Duração 1 a 500 ms Intensidade 10 a 1000 A
Características Gerais de um Raio
Diâmetro do canal 1-2 cm
Número médio de descargas de retorno 3,8 Intervalo médio entre as descargas 60 ms
Duração média total 300 ms
Carga média total transferida 3 C
Os diversos processos que compõem um raio também podem ser estudados tendo como base os registros das variações do campo eletromagnético ambiente, efetuados através de equipamentos eletrônicos instalados no solo. Inúmeros estudos sobre o fenômeno podem ser realizados com esta técnica, (UMAN, 1997; MIRANDA, 2000; FERRAZ 2001; MIRANDA et al., 2003; RAKOV; UMAN, 2003) uma vez que a variação do campo ao longo de todo o evento tem um comportamento típico para cada etapa do raio. Em outras palavras, os campos eletromagnéticos irradiados pelos diferentes processos de um raio ou por diferentes tipos de raios possuem “assinaturas” distintas, mas dotadas de características comuns. A Figura 2.5 mostra parte do registro de campo elétrico medido no solo, de um raio NS-, feito a uma taxa de amostragem de 5.000.000 de amostras por segundo, mostrando algumas fases que o compõe.
Figura 2.5 - Variação do campo elétrico do líder escalonado precedendo uma DR de um raio NS- registrado em 23/3/2005, a 26 km de distância em São José dos Campos - SP. Os pulsos característicos que antecedem o líder escalonado ocorrem aproximadamente 2 ms antes da descarga de retorno.
2.1.2.1 Corrente contínua
Em cerca de 23% dos raios, pelo menos uma DR é seguida por uma corrente de longa duração, que pode ser entendida como sendo “um arco quase-estacionário entre a fonte de carga na nuvem e o solo” e que é chamada de corrente contínua (Icc). O pico de corrente das DRs que são seguidas por Icc longa possui valor sempre inferior a 20 kA, Saba et al., 2006.
Valores típicos de Icc estão entre dezenas e centenas de amperes, com duração de até centenas de milissegundos” (RAKOV; UMAN, 2003). A corrente que flui pelo canal entre o pico de corrente da DR e o nível quase-estacionário Icc, chama-se de corrente intermediária, uma etapa de transição, com duração de alguns milissegundos e corrente da ordem de alguns quiloampères (Uman, 1987). Neste estudo foram encontrados, na grande maioria dos casos, duração de 5 ms para essa corrente intermediária, valor este utilizado como padrão para a separação do final da DR e o inicio da Icc.
O maior poder destrutivo dos raios com Icc se explica pelo fato da corrente ser aplicada por mais tempo sobre os materiais (décimos de segundos e não alguns milésimos de segundos como nas descargas sem Icc). Essa longa duração da descarga resulta em maior transferência de carga que pode chegar a ser dezenas de vezes maior que nos raios sem Icc.
A partir do final da primeira metade do século XX, quando da realização dos primeiros estudos da Icc em raios nuvem-solo, diversos trabalhos foram realizados através da técnica de medida direta. Vários pesquisadores, tais como, MacEachron (1939); Davis e Standring (1947); Hagenguth e Anderson (1952) e outros, utilizando equipamentos instalados no topo do edifício Empire State Building, bem como de tantas outras edificações altas, foram os precursores. Também foram realizados estudos em condições naturalmente altas como na torre construída no pico do monte San Salvatore, por Berger e Vogelsanger, 1965. Entretanto, as medidas realizadas não representavam a realidade das descargas naturais devido a geometria da própria edificação.
Com esses primeiros resultados, já se constatava a existência de uma corrente intermediária, durante o final do estágio decrescente da alta corrente da DR. Essa corrente tinha a duração da ordem de milissegundos e seu valor variava de poucos quiloamperes até zero. Estudos mais recentes constataram que em seqüência a essa corrente intermediária, ainda associada à DR, podia ocorrer também uma fraca corrente para o solo. Essa corrente que se mantém no canal por dezenas a centenas de milissegundos, recebeu o nome de corrente contínua (Icc). Estudos revelam que as fontes de carga que alimentam a Icc possuem uma distribuição horizontal no interior da nuvem de tempestade (KREHBIEL et al., 1979).
A Icc tem sido medida também de forma indireta, através de medidas remotas dos campos elétricos e magnéticos que elas produzem (BROOK et al., 1962; KITAGAWA et al., 1962) ambos no Novo México, EUA. Essas Icc foram divididas em 3 categorias de acordo com a duração. São consideradas Icc longas, as que duram mais de 40 ms (KITAGAWA et al., 1962; BROOK et al., 1962) e Icc curtas, as que duram entre 40 ms e 10 ms (SHINDO; UMAN, 1989). Por fim, as denominadas Icc muito curtas com sua duração entre 3 e 10 ms (BALLAROTTI et al., 2005). Já foram encontradas Icc com duração superior a 500 ms (SABA et al., 2006). Em alguns casos podem ocorrer mais de uma Icc longa para um mesmo raio (VALINE; KRIDER, 2002; SABA et al., 2006; CORREIA; SABA, 2008).
As cargas transferidas pela Icc, encontradas por Uman (1982), estão entre 3,4 C e 29,2 C, com uma média de 12 C. Williams e Brook (1963), também no Novo México, usaram um magnetômetro para medir o campo magnético remotamente. Os autores obtiveram uma corrente média de 184 A, uma carga média transferida de 31 C e uma duração média de 184 ms. Krehbiel et al.( 1979), usando uma rede de sensores de campo elétrico, no Novo México, encontrou Icc desde 50 A até 580 A. Livingston e Krider (1978), revisaram as estatísticas de ocorrência de Icc e encontraram que de 29 % a 46 % dos raios medidos na Flórida apresentaram Icc.
Aproximadamente 50% dos raios do Novo México, medidos por Brook et al., 1962, tinham Icc com duração maior que 40 ms. Thomson, 1980, encontrou uma taxa de 48% de raios com algum tipo de Icc para a Nova Guiné.
A Icc medida por Berger e Vogelsanger (1965), de raios NS- diretas em torre, na Suíça, apresentou valores entre 100 A e 300 A. A metade dos raios que apresentaram Icc destruiu mais de 25 C, sendo o maior valor encontrado de 80 C. Valores estes bem maiores que a carga transferida por DR.
2.1.3 - Raio nuvem-solo positivo
O raio nuvem-solo positivo (NS+) seguem, com poucas diferenças, as mesmas etapas descritas para os NS- (PINTO; PINTO, 2000). Em geral, iniciam-se a partir de um líder com uma luminosidade mais fraca comparada ao líder escalonado de um NS-; tal líder propaga-se a partir de uma região de cargas positivas dentro da nuvem, não apresentando passos, mas sim uma luminosidade contínua, porém com variações periódicas de intensidade e raramente apresentando ramificações. Outra característica importante refere-se ao número de DR, normalmente apresentando somente uma DR, com pico de corrente maior que os picos de corrente das DRs dos raios NS-. Costumam também apresentar Icc mais longa, o que somada à DR também mais intensa, transfere maior quantidade de carga para o solo. Isso faz com que os raios NS+ sejam os mais destrutivos dos raios e responsáveis pela maioria dos danos que envolvem o efeito térmico. Dentre eles podemos citar os danos em cabos guarda em linhas de transmissão com fibra óptica embutida (OPGW), fadiga nos transformadores de distribuição de energia elétrica, queima dos fusíveis de proteção em transformadores de distribuição, incêndios em florestas, buracos na fuselagem de aeronaves, entre outros.
3 - CAMPO DE ESTUDOS DE RAIOS E INSTRUMENTAÇÃO 3.1 – Introdução
No início de 1995 tiveram início os trabalhos para avaliar as possibilidades de se estabelecer um centro de observações de relâmpagos no INPE de São José dos Campos. Devido à complexidade envolvida chegou-se à conclusão de que o INPE não comportava tal centro. Decidiu-se então procurar no Centro Tecnológico Aeroespacial (CTA), na época ainda denominado Centro Técnico Aeroespacial. Foi então que, ainda no mesmo ano de 1995, se concretizou o convênio entre o ELAT e o IAE/CTA, passando o grupo a partir dessa data, a ter acesso às instalações do campo de antenas do IAE. Tais instalações foram adaptadas às nossas necessidades e seu uso foi de fundamental importância para os estudos de relâmpagos realizados pelo grupo desde então, Miranda ( 2000); Ferraz (2001); Miranda et al. (2003); Miranda (2004). Entretanto, sua melhor exploração veio principalmente nos estudos de raios onde se fazia uso de câmeras fotográficas e filmadoras. (BALAROTTI et al., 2005; SABA et al., 2006; CAMPOS et al., 2007; FERRO, 2008; ALCIDES, 2009) Esse campo, além da proximidade do ELAT (menos de 1 km), dispõe de toda infra-estrutura, o que foi decisivo à conclusão do presente trabalho. No local, que é naturalmente alto em relação à topografia circunvizinha, existe uma torre metálica com aproximadamente 22m de altura. Em seu topo foi construída uma sala sextavada, em alvenaria, como mostra a Figura 3.1. Ela só não possui janelas em uma das faces, o que nos permitia uma visão privilegiada, em 360º. Essa geometria nos permite a filmagem dos raios em qualquer direção que eles ocorram. Pelo fato de ter sido projetada para operar com testes de antenas em campo aberto, ela está localizada em local afastado de todos os outros prédios e com o menor ruído provocado por ondas eletromagnéticas possível. Tal situação também nos favorece, possibilitando estudos dos campos eletromagnéticos gerados pelos raios, com uma boa relação sinal-ruído.
Figura 3.1 Visão geral da torre do campo de observações de descargas atmosféricas do ELAT.
3.2 – Técnicas experimentais
Na torre foram instalados os equipamentos para monitoramento do campo elétrico produzido pelos raios bem como câmeras digitais para estudos na faixa do visível.
Em seu topo, que é constituído de uma laje de concreto com aproximadamente 150m2, foram instalados quatro equipamentos: dois sensores de campo elétrico, sendo um sensor de campo lento e outro de campo rápido; e duas antenas GPS. Essas antenas GPS nos proporcionaram uma precisão temporal de microssegundos, tanto para o campo rápido quanto para as imagens digitais, o que nos permitiu o casamento dos dois dados. No interior da sala de alvenaria foram instaladas duas câmeras rápidas e os equipamentos digitalizadores dos campos elétricos.
3.2.1 – Sensor de campo elétrico lento
O sensor de campo elétrico lento foi desenvolvido pelo ELAT e tem a finalidade de medir a radiação emitida pela Icc dos raios. Como já discutido anteriormente, a Icc é uma corrente de longa duração e baixa intensidade, não produzindo campos eletromagnéticos irradiados de grandes amplitudes, mesmo em regiões próximas. Essas foram as premissas que nos nortearam no desenvolvimento do sensor. Um equipamento que fosse capaz de medir os extremamente baixos sinais induzidos em baixa freqüência e separá-los dos sinais de amplitudes algumas ordens de grandezas superiores, que são os sinais produzidos pelas DR, as quais precedem a Icc em poucos milissegundos.
A primeira escolha de projeto foi a antena. Optamos por uma antena tipo capacitiva circular, já que o nosso objetivo é a detecção de sinais de baixa frequência. Também poderíamos optar por uma antena dipolo simples, tipo “whip”. Entretanto uma antena “whip” chegaria a dezenas de metros, em virtude da baixa frequência em que iríamos trabalhar, o que inviabilizaria a facilidade de locomoção do sensor.
A antena construída tem 396 mm de diâmetro, inserida em uma caixa aterrada, também metálica, de 480 mm por 480 mm por 40 mm de espessura. A Figura 3.2 mostra uma foto da antena, já instalada na torre do campo de observações de descargas atmosféricas.
Figura 3.2 Foto da antena prato instalada no campo de observações de descargas atmosféricas do ELAT.
O objetivo da caixa metálica aterrada é bloquear os sinais em todas as outras direções, fazendo com que a antena seja excitada apenas pelos campos elétricos verticais.
A conexão entre a antena capacitiva e o módulo de eletrônica foi feita através de um cabo coaxial, que deveria ser o mais curto possível, para obtermos a melhor relação sinal ruído. Por isso, o módulo que abrigava a eletrônica teve de ser montada junto à antena e em caixa fechada resistente à água.
Esta eletrônica é basicamente constituída de dois estágios: um integrador com alto ganho e constante de tempo de aproximadamente 1,5 s e um amplificador
casador. Este circuito levou muito tempo para atingir o estágio de funcionamento ideal. Encontramos problemas desde como medir o campo muito pequeno irradiado e não saturar o sinal com as primeiras gotas de água que se depositavam na superfície do prato.
A montagem final, como mostrado na Figura 3.2, traz a antena com seu prato receptor voltado para baixo e afastado da laje de aproximadamente 2m, com uma parte da eletrônica acondicionada em caixa resistente a intempéries, colocada junto à antena. Já o equipamento para digitalização e as fontes de alimentação foram instalados no interior da sala, no topo da torre.
Para compensar os 15 m de comprimento de cabo blindado que foram usados para ligar o sensor montado no topo da torre ao osciloscópio instalado no interior da sala da torre, foi preciso montar um estágio amplificador/casador de sinais, ligado diretamente à saída do integrador. Foi montada também uma fonte dedicada de alimentação para o sensor, que ficava no extremo do cabo blindado, perto do osciloscópio. Como essa fonte não era à bateria, o sensor permaneceu ligado por todo o tempo da campanha, minimizando com isso as variações de desempenho devido às flutuações de temperatura normais que aparecem ao se ligar um circuito eletrônico, acondicionado em ambiente fechado.
Resolvidos todos os problemas de funcionamento do sensor, era necessário ainda calibrá-lo. Para tanto, foi feita uma fonte de tensão contínua, que podia ser ajustada por chave, para três diferentes valores da tensão de saída (150Vdc, 350Vdc e 750Vdc). Foi montado então o local de teste, composto por duas placas metálicas planas e paralelas entre si, como mostrado na Figura 3.3a, de forma a criarem um campo elétrico perpendicular entre elas, quando submetidas a uma diferença de potencial. Devido às dimensões das placas, bem maiores que as dimensões da antena capacitiva do sensor, o campo elétrico aplicado ao sensor pode ser considerado uniforme. A Figura 3.3b mostra a antena montada entre as placas para calibração. Nela podemos
observar que apenas a placa sensora fica nivelada ao plano terra e a caixa metálica que a sustenta e serve de blindagem fica abaixo desse plano. Também é possível identificar a caixa que abriga o circuito eletrônico que foi montada o mais próximo possível da antena.
De posse da distância entre as placas e a tensão aplicada entre elas verificou-se o campo elétrico aplicado, em volts por metro (V/m). Feito isso, para várias relações de V/m, medimos a resposta do sensor, para que se pudesse levantar a curva de resposta e confirmar a linearidade do mesmo.
Figura 3.3b Detalhes do sensor capacitivo e da caixa da eletrônica.
A eletrônica foi conectada, através de um cabo blindado de 15 metros de comprimento a um osciloscópio digital Tektronics, modelo TDS3014, Figura 3.4, com as seguintes características:
Número de canais: 4
Banda de operação: 100MHz
Amostragem em cada canal: 1,25 x 109 amostras por segundo Número de amostras por varredura: 10.000.
Figura 3.4 Foto do osciloscópio TDS3014.
A base de tempo escolhida para a calibração do sensor foi de 20s e como a taxa de amostragem é de 10.000 pontos, temos uma amostra a cada 2 ms. Utilizando-se o próprio osciloscópio, pode-se salvar em disquete a planilha toda. Feito isso, a mesma foi aberta com o programa OriginPro 8 para análise. A Figura 3.5 mostra a curva de calibração digitalizada pelo osciloscópio e traçada utilizando-se o software Origin. Dela tiramos, além da calibração em amplitude do sensor, a constante de decaimento intrínseca do circuito eletrônico utilizado. O valor medido para a constante de decaimento do circuito foi de 1,5 s e depende unicamente dos componentes utilizados.
Figura 3.5 Curva de calibração do sensor de campo lento.
- 1 0 - 5 0 5 1 0 - 1 . 0 - 0 . 5 0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 Volts T e m p o ( s )
A tabela 3.1 apresenta os resultados da resposta do sensor de campo lento desenvolvido pelo ELAT para as diversas tensões aplicadas e variações do espaçamento entre as placas. Com essas combinações, trabalhamos com 15 valores diferentes de campo aplicado em V/m.
Tabela 3.1 Campos elétricos aplicados (em V/m) e as respectivas saídas do sensor de campo lento.
Tensão Campo Saída Razão do
Espaçamento aplicada aplicado do Sensor Sensor ( m ) ( V ) ( V/m ) ( mV ) ( V/m / mV ) 150 938 440 2131 0.16 460 2875 1380 2083 780 4875 2300 2120 150 750 360 2083 0.2 460 2300 1150 2000 780 3900 1700 2294 150 455 230 1976 0.33 460 1394 740 1884 780 2364 1200 1970 150 417 220 1894 0.36 460 1278 680 1879 780 2167 1100 1970 150 313 150 2083 0.48 460 958 440 2178 780 1625 740 2196
A partir desses valores, foi traçada a curva e obtido o valor médio através de um ajuste linear, passando por zero, conforme mostrado na Figura 3.6. Pelo ajuste obtivemos o valor de conversão do sensor, que é de 1 V na saída para um campo de 2099 V/m aplicado à antena. Também pudemos comprovar a alta linearidade do equipamento, apresentando um coeficiente de correlação (R2) de 0.9966, para campos de entrada variando desde 300 V/m até 5000 V/m.
Figura 3.6 Curva de resposta do sensor de campo lento.
Após a calibração do sensor, ainda nos restava saber a influência da torre na forma e na amplitude do campo medido. O critério adotado para verificar este efeito foi a realização de medidas simultâneas, no solo, longe da torre, e no local final de instalação do sensor (sobre a laje da torre). Para isso foi necessário construir duas unidades as mais idênticas possíveis, tanto na parte mecânica, quanto na eletrônica. Após a reprodução do equipamento e a montagem em seus respectivos locais, a equipe foi dividida em dois grupos garantindo a operação simultânea dos mesmos. Para termos certeza de que estávamos medindo o campo elétrico de um mesmo raio, utilizamos um par de fonias para comunicação e confirmação dos eventos. Quando havia dúvida, o raio era descartado. Com isso, foi possível monitorar diversos raios com diferentes intensidades de corrente de pico, distância e valores de Icc.
Para a montagem do equipamento no solo, este teve de ser preparado para minimizar todos os efeitos sobre o campo elétrico a ser medido. Para tanto, foi colocado um sistema de aterramento específico para o plano terra do sensor e removida a vegetação ao redor, como visto na Figura 3.7, que é uma foto tirada do topo da torre, situada a aproximadamente 100m de distância. O sensor
montado no solo era exatamente idêntico ao instalado no topo da torre em todos os aspectos. Como os comprimentos de cabos também eram os mesmos, cerca de 15m em ambos os casos, um operador ficou abrigado dentro de um carro, estacionado a cerca de 13m do sensor, servindo de laboratório. Nesse carro foi instalado um osciloscópio do mesmo modelo ao utilizado na torre e uma fonia para comunicação com os outros operadores que ficaram na torre, onde foram utilizadas duas câmeras rápidas, simultaneamente com o sensor de campo elétrico.
Figura 3.7 Foto do sensor instalado no solo, tirada do topo da torre.
Foram coletadas 14 curvas. Em cada caso foi medida, para um mesmo raio, a variação da tensão registrada tanto pelo sensor do solo quanto pelo sensor instalado na torre. Destas 14 curvas foram selecionadas 4, onde a Icc apresentava valores bem acima do nível de ruído. Calculamos a média simples para as 4 razões de tensão obtidas (2,49; 2,49; 2,51; 2,55) e chegamos a uma constante de amplificação da torre de 2,51 com desvio padrão de 0,028. Esse valor foi introduzido na equação final para cálculo da carga transferida pela Icc.
A Figura 3.8 mostra o campo elétrico do Raio 164, tomado como exemplo, gravado no topo da torre e no solo. Como já era esperada, a influência da torre é nula na forma de onda, mas significativa na amplitude e através destas 4 medidas foi possível quantificar com precisão a influência da torre.
Figura 3.8 Curvas de tensão do raio 164, medidas no solo e na torre simultaneamente (razão de 2,5).
3.2.2 Rede brasileira de detecção de descargas atmosféricas – BrasilDat.
A primeira empresa a instalar uma rede de detecção de descargas atmosféricas no Brasil foi a Companhia Energética de Minas Gerais (CEMIG) com todos os seus sensores instalados no estado de Minas Gerais. Essa rede propiciou um convênio técnico científico entre a CEMIG e o grupo ELAT do INPE, que inicialmente instalou mais dois sensores interligados a essa rede. Um sensor foi instalado em São José dos Campos e outro em Cachoeira Paulista, ambos em SP.
A continuação dessa parceria pioneira foi um convênio entre quatro instituições. Dois institutos de pesquisa, o INPE e o Sistema Meteorológico do Paraná (SIMEPAR) e duas empresas do setor elétrico, a CEMIG e Furnas Centrais Elétricas, dando origem a rede denominada RINDAT (Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas), composta por 25 sensores, com uma área de cobertura de seis estados: SP, RJ, ES, MG, GO e MS.
Essa configuração permaneceu até 2006, quando foram integrados ao sistema de detecção existente os sensores do SIPAM (Sistema de Proteção da Amazônia), ao norte, e da SIDDEM (Sistema de Informações integradas baseado no sistema de Detecção de Descargas Atmosféricas), ao sul do país. O novo convênio passou a se denominar BrasilDat (Rede Brasileira de Detecção de Descargas Atmosféricas), que possui atualmente um total de 45 sensores instalados em doze Estados do país: RS, SC, PR, SP, RJ, ES, MG, GO, MS, TO, MA e PA (coberto parcialmente). A Figura 3.9 mostra não apenas a nova configuração de sensores da BrasilDat, como a área de cobertura do sistema, que é representada pelos círculos em tom mais claro na figura.
Essa rede teve papel fundamental no cálculo da Icc pois foi através dela que pudemos determinar a distância entre o ponto de contato no solo da descarga atmosférica e o sensor de campo elétrico utilizado para medir a intensidade do campo elétrico irradiado.
Figura 3.9 Rede Nacional de Detecção e Localização de Relâmpagos - BrasilDat. Os losangos brancos indicam a localização dos sensores.
Os sensores registram a ocorrência de descargas atmosféricas e enviam os parâmetros da radiação eletromagnética medidos para diversas centrais de processamento, as quais calculam a localização e os principais parâmetros físicos da descarga (polaridade, multiplicidade, pico de corrente, entre outros). Cada central precisa de pelo menos 4 sensores Lightning Positioning And Tracking System (LPATS) ou 3 sensores Advanced Lightning Direction Finder (ALDF) detectando um mesmo raio para apresentar uma solução válida, ou seja, as soluções dos sensores convergirem para um mesmo resultado.
Atualmente existem quatro centrais de processamento interligadas que recebem os dados dos sensores da rede: uma em São José dos Campos/SP, no INPE, outra em Belo Horizonte/MG, na CEMIG, uma terceira no Rio de Janeiro/RJ, em Furnas e a quarta em Curitiba/PR, no SIMEPAR. A BrasilDat é
uma rede híbrida, ou seja, é composta por sensores da linha LPATS e da linha ALDF.
Os sensores LPATS, utilizam apenas o método de detecção por tempo de chegada - TOA (Time-Of-Arrival), e os sensores ALDF utilizam o método IMProved Accurace from Combined Technology (IMPACT), daí serem conhecidos simplesmente por sensores IMPACT. A tecnologia IMPACT combina o método TOA com o método Magnetic Direction Finder (MDF), que mede as componentes ortogonais do campo magnético radiado pela descarga (através de dois loops magnéticos ortogonais entre si), o que lhe permite fornecer a direção (ou azimute) da fonte de radiação em relação ao norte geográfico. Desta forma, os sensores IMPACT, além de serem mais modernos que os LPATS, com inúmeras melhorias em seus circuitos internos, algoritmos de processamento e critérios de discriminação de descargas intranuvem, possibilitam uma redundância de informações (por combinarem as tecnologias TOA e MDF), que melhora o processo de otimização da solução pelas centrais de processamento e minimiza as limitações inerentes de cada tecnologia quando empregadas separadamente. Recentemente mais 4 sensores de última geração, modelo LS7000, foram agregados à rede, dois na central do INPE e dois na central de FURNAS.
A Figura 3.10 mostra uma das possíveis visualizações dos dados obtidos a partir da rede de sensores da BrasilDat. Além da divisão geopolítica do país mostrada nessa figura, também são mostrados os pontos de contato dos raios no solo, de todas as descargas detectadas pela rede, codificadas temporalmente por uma legenda de cores, o que permite avaliar a evolução da tempestade.
O sistema está integrado ao serviço Google Maps permitindo a apresentação na tela de imagens de satélite mostrando o relevo de cada região. Também pode ser apresentada a localização dos sensores. Essas duas opções de apresentação são mostradas na Figura 3.10.
Figura 3.10 Tela do sistema de monitoramento apresentando diversos raios e a data, horário, latitude, longitude, polaridade e pico de corrente de um deles.
Como exemplo das informações fornecidas pela BrasilDat, a Figura 3.11 mostra os relâmpagos ocorridos no período de uma hora anterior ao horário da consulta. Os mais recentes, ocorridos nos últimos 10 minutos, são mostrados em vermelho, os que ocorreram entre 10 e 20 minutos são mostrados em amarelo, os que ocorreram entre 20 e 30 minutos são apresentados em verde. De 30 a 40 minutos são marcados em azul claro e, em azul escuro para os ocorridos entre 40 e 50 minutos. Por último, são apresentados em cinza os raios que ocorreram entre 50 e 60 minutos. Associado a cada raio, o sistema pode informar na tela: i) a data da ocorrência; ii) o horário da ocorrência com precisão de microssegundos; iii) a localização (latitude e longitude); iv) a polaridade e v) a estimativa do pico de corrente. Também usamos o recurso que o software oferece de selecionar uma região de interesse para
monitoramento mais preciso que de todo o país. No caso mostrado na Figura 3.11, trata-se do mesmo momento que o da Figura 3.10, entretanto mostrando a região de São José dos Campos, o que nos auxiliava muito indicando a direção em que devíamos apontar as filmadoras e a distância do laboratório até o centro da tempestade.
Figura 3.11 Tela do sistema de monitoramento destacando o município de São José dos Campos.
3.2.3 – Câmera rápida I
Para a aquisição das imagens de raios utilizamos o Sistema de Imageamento Digital de Alta Velocidade (câmera rápida, HS-1). Este sistema está baseado num sensor Charge Couple Device (CCD) para a captura das imagens. Este adquire e grava uma seqüência de imagens digitais a uma taxa ajustável de 60 a 8.000 quadros por segundo, gerando arquivos de saída com extensão avi.
Possui sincronização de tempo via Global Positioning System (GPS), possibilitando comparação com os dados da BrasilDat. A Figura 3.12 mostra uma foto do sistema, que é composto essencialmente de uma câmera e de seu hardware de interface com o PC.
Figura 3.12 Câmera HS-1 com sua placa de interface com o PC. Fonte: Red Lake (2002).
Em nossos estudos utilizamos 1.000 fps, 2.000 fps e 4.000 fps. Não foi usada a máxima taxa de aquisição (8.000 fps) porque há um compromisso entre esta e o ângulo de abertura, além da necessidade de um tempo muito maior para gravar o filme no HD. Como analisamos Icc com duração superior a 10 ms, as taxas de aquisição das câmeras mostraram-se suficientes. Além disso, no pico de atividade de uma tempestade, o tempo entre os raios é muito pequeno, o que inviabiliza um processo longo de armazenamento de dados. Quando se usa 1.000 fps, a resolução da imagem é de 240 x 210 pixels. Para esta taxa, os ângulos de abertura são 23,72º na vertical e 26,99º na horizontal; o tempo total de gravação é de 2,0 segundos; cada arquivo gerado pela câmera possui 2.000 quadros; e o tempo de exposição de cada quadro é aproximadamente 1,0 ms.
Este sistema é operado basicamente da seguinte forma: (1) a câmera é direcionada para a tempestade em observação. (2) a luminosidade é ajustada para que se tenha o melhor contraste luminoso, adequado a cada cenário e o foco fica sempre ajustado para infinito. (3) ao visualizar um raio, o operador aperta um botão de acionamento (trigger) do sistema; Um recurso computacional chamado Fila Circular que permite em gravar os dados continuamente em uma determinada região de memória e, quando o ponteiro que indica a posição de memória a ser utilizada chega a sua última posição, o programa aponta para a primeira posição da memória. Assim, ao se acionar o pulso de trigger, as imagens serão gravadas por mais um período pré ajustado de tempo e, depois, interrompida. Com isso, o banco de dados fica com as imagens adquiridas tanto antes como depois do acionamento do trigger. Ou seja, ao configurar o trigger em 50%, a memória da máquina reterá o último segundo e registrará mais 1 segundo de imagens após o acionamento do botão. Como o tempo de resposta típico dos operadores está em torno de 400 ms, geralmente registramos 0,6 s antes da ocorrência da 1ª DR e 1,4 s após esta ocorrência. Sendo a duração média típica de um raio em torno de 1 s, o ajuste de 50% mostrou-se o mais eficaz na captura de todas as fases do raio. A Figura 3.13 mostra uma foto da câmera rápida HS-1 aberta com o sensor CCD exposto.
Figura 3.13 Foto da câmera com o sensor CCD exposto.
3.2.4 - Câmera rápida FASTCAM 512 PCI 2k
Foi utilizada também uma câmera rápida “FASTCAM 512 PCI 2k” (HS-2). Sua taxa de gravação de imagens é superior à da câmera HS-1, variando de 50 a 32.000 quadros por segundo. Para este trabalho utilizamos, na maioria dos casos, os mesmos 1.000 quadros por segundo, pelo motivo exposto anteriormente. Seu funcionamento é praticamente idêntico ao da HS-1, realizando gravações com o método da fila circular (interrompido pelo trigger), sincronizando seus vídeos com tempo GPS e salvando sempre 2 s de imagem, independentemente da taxa de amostragem escolhida. A Figura 3.14 mostra a HS-2 montada no módulo móvel que utilizamos durante a coleta de dados no centro de estudos de raios.
Figura 3.14 Foto da câmera rápida (FASTCAM 512 PCI 2k) utilizada neste trabalho, montada em seu módulo.
3.2.5 - Teoria utilizada para o cálculo da carga e da Icc.
Na Figura 3.15 mostramos uma representação gráfica dos vetores do campo eletrostático que se desenvolvem sobre o sensor, devido a uma carga espacial –Q, representando a carga negativa no interior da nuvem, transferida pela Icc. A carga +Q representa a concentração de cargas positivas que ocorre no solo imediatamente abaixo do centro negativo, distribuídas na superfície, as quais, pelo método das imagens, se comportam como uma única carga positiva de mesma carga e distância que a -Q em relação a superfície. O ponto “S” é a localização do sensor de campo lento. O vetor ET é o campo elétrico vertical resultante no ponto “S”. A altura “H” é a posição estimada do centro de cargas negativo, a partir dos dados de radiossondagens. Por último, “D” é a distância entre o sensor e o ponto de contato do raio com o solo, calculado pela equação trigonométrica esférica, a partir dos dados do BrasilDat.
No desenvolvimento matemático assumiu-se que o solo é perfeitamente condutor, o canal do raio é vertical e a dimensão da região de carga transferida é pequena em relação a “D”.
Figura 3.15 Representação gráfica dos vetores do campo eletrostático que se desenvolvem sobre o sensor, devido a uma carga espacial Q-.
Substituindo cos α, temos:
(3. 1) EQ H r i ET E-Q r i α D H α -Q +Q S α
α
πε 2cos
0 4 2 i r Q TE
=
2 0 4 1 i r Q QE
=
πε 2 / 3 2 2 0[
]
2
1
D
H
QH
E
T+
∆
=
∆
πε
ir
H
=
α
cos
α
cos
2
Q TE
E
=
3 0 4 2 i r H Q TE
=
πε TE
H
D
H
Q
=
+
∆
∆
2
πε
0[
2 2]
3/2t
Q
I
med∆
∆
=
3.2.6 - Cálculo das distâncias entre os raios e o sensor
Para calcularmos a distância entre o sensor e o ponto onde o raio toca o solo, partindo-se das latitudes e longitudes de ambos, foi usada a equação trigonométrica esférica. As coordenadas geográficas da torre onde foi montado o sensor são conhecidas (latitude 23,21249 sul e longitude 45,86677 oeste). Já as coordenadas geográficas de cada raio, foram adquirias pela Rede Brasileira de Detecção de Descargas Atmosféricas (RINDAT). De posse desses dados e utilizando-se do sistema de coordenadas esféricas, como mostrado na Figura 3.16, chega-se a distância entre os dois pontos. Para ilustrar o método foi usado um caso real, Raio 3.
Figura 3.16 Plotagem dos pontos sobre o globo terrestre (fora de escala). Fonte: Adaptada de Silva Netto (2008)
Torre: Raio n: (3)
Latitude -23,2125 Latitude -23,2837 Longitude -45,8667 Longitude -45,9509
b = arco AB = 90 – (- 23,2837) = 113,2837 c = arco AC = 90 – (- 23,21249) = 113,2125 a = arco BC = - 45,9509 – (- 45,8667) = 0,842
Utilizando-se a equação trigonométrica esférica: cos(α) = cos(b) * cos(c) + sen(b) * sen(c) * cos(a) Substituindo a,b,c, teremos
cos(α) = 0,999998
arc cos(0,999998) = 0,105098
360 graus = 40050 km (perímetro aproximado da terra no equador) 0,105098 graus = d
d = 11,7km, que é a distância entre os pontos B e C, ou seja, a distância entre o raio e a torre.
Para fins de levantamento de dados, foi montada uma planilha no EXCEL para o cálculo das distâncias dos 68 raios estudados.
3.2.7 - Levantamento da altura do centro negativo de cargas na nuvem.
Para obtermos a altura aproximada do centro negativo de cargas, primeiramente encontramos as isotermas, através de dados de radiossondagem, de -10° C e –25° C. Estas isotermas correspondem aos limites inferior e superior aproximados da região onde se concentram as cargas negativas da nuvem (RAKOV; UMAN, 2003).
Para isso, inicialmente, foi realizado o levantamento dos dias em que foram coletados dados válidos, ou seja, raios com localização pelo sistema, apresentando Icc, filmados e com seu campo elétrico digitalizado, conforme
mostrado na tabela 3.2. De posse dessas datas, acessamos o banco de dados do CPTEC, através da página do INPE (http://bancodedados.cptec. inpe.br/). Essa página apresenta todas as estações que fazem radiossondagem e todos os dias do mês, como será mostrado na tabela 3.3. São indicados pelo x os dias em que houve medidas e a estação correspondente. As radiossondagens nos fornecem, dentre outras coisas, três curvas: a curva do perfil de temperatura, a curva da temperatura do ponto de orvalho e a curva da trajetória da parcela. Para o presente estudo, interessa apenas a curva do perfil de temperatura da atmosfera.
TABELA 3.2 – Raios com Icc, filmados e digitalizados que foram utilizados neste estudo.
Camp. Mês/ano Dia Raios Digitalizados
2 Fevereiro 10 R5 3 2008 11 R12 e R13 4 12 R15,16,18 5 13 R33 e R34 6 15 R35 e R37 7 17 R38,40,41,42,48 8 18 R51,52,55,56,57,60,61,62 11 21 R77,79,81,82,85,86,87,91,94,97 12 Março 07 Raio 118,120,130 14 2008 12 Raio 138 e Raio 139 16 24 Raio 148, 150, 151, 152, 155, 159, 163, 164, 165, 166,168,169,173,174,175,177,178,180,181 17 26 Raio 186,187,188,190,191,199,200,201,202, 212
Tabela 3.3 Página do INPE com os dias e estações em que ocorreram radiossondagem em março 2008.
Fonte: http://bancodedados.cptec.inpe.br/
Feito isso, acessamos os dados de radiossondagem para obtermos o perfil de temperatura para os dias de campanha, como mostrado na Figura 3.18. Usamos a estação mais próxima do local da campanha, que é a estação “Campo de Marte”, ou, na falta desta, a estação “Rio de Janeiro”.
