Introdu~ao a Eletrodin^amia Atmosferia
IntrodutiontotheAtmospheriEletrodynamis
Odim Mendes Jr.
DGE-CEA/INPE,CaixaPostal515,12201-970,
S~aoJosedosCampos,SP
Margarete Oliveira Domingues y
LMO-CPTEC/INPE,Cx. P.515,12201-970
S~aoJosedosCampos,SP
Reebidoem6deagosto,2001. Aeitoem21dejaneiro,2002.
AEletrodin^amiaatmosferia governaosproessosfsios naTerra,afetandoavida,instala~oes e
serviostenologios.Comoobjetivodeauxiliarosprofessores,pesquisadoreseestudantesalidarem
omestaareaesuasonsequ^enias,oambienteeletrodin^amioeapresentadonestetutorial.
TheAtmospheriEletrodynamisrulesimportantproessesintheEarth,aetingthelife,
instal-lationsandtehnologialservies. Inordertohelp teahers, researhesand studentsto dealwith
thisareaandtheironsequenes,theeletrodynamialenvironmentispresentedinthistutorial.
I Introdu~ao
Este texto tem o proposito de apresentar aos
profes-sores,estudantesepesquisadoresumavis~aoabrangente
e algoaprofundada deuma areaque estase tornando
adavezmaisimportante:aEletrodin^amiaPlanetaria.
Devidoasinova~oestenologiaseserviosdisponveis
para a soiedade humana, omo por exemplo,
reur-sos de teleomunia~oes, reursos sostiados de
in-formatiaev^oosdeaeronavesdepassageirossobnovos
projetos tenios, esse assunto onstitui-se um niho
de merado a ser explorado e de inadiaveis pesquisas
para entendimento de variados fen^omenos. Servindo
de base tambem para o entendimento de fen^omenos
do Espao Proximo (regi~ao onde transitam
astronau-tas e sondasespaiais) e de fen^omenos da Aeronomia
(regi~aodeatmosferaaindarelativamentedensamasde
alta ioniza~ao), estetrabalho preoupar-se-aom
pro-essos fsios de eletria~ao geral daatmosfera e das
desargas eletriasna baixa atmosfera ( 70km) pela
suaimport^ania amplaeimediata.
Em geral, os proessos naturais mostram-se
de omportamento omplexo, de medi~ao
om-pliada, exigindo investiga~oes multidisiplinares.
A Eletrodin^amia Atmosferia, que e parte da
Eletrodin^amia Planetaria, enquadra-se plenamente
nessa ategoriadefen^omenos,requerendo
planejamen-tos inter-instituionais, perseverana de analise nos
topios investigados e disuss~oes intensivas de
pros-sionais de diferentes areas do onheimento.
Atual-mente,onernentes aosestudos mundiaisde Ci^enias
Espaiais, Atmosferias e Oe^anias, varios aspetos
t^em sido onsiderados para a moderniza~ao dessas
areas.Omonitoramentodaatividadeeletria,embases
ontnuasouemampanhasompletas, oordenadase
intensivas,estaentreasferramentasonsideradasnessa
moderniza~ao.
Nela, entre as diretrizes prinipais est~ao saber
estabeleer quest~oes{have, oletar informa~oes
ade-quadas e dispor de pessoal adequado. O
onhei-mentoresultanteontribuiraparaaplia~oesdiretasna
modelagem numeria do tempo e do lima para ns
queafetam diretamenteasoiedadeivil,inlusivenas
areasdesaude; lazereturismo; ossetores produtivos,
sejanaagriulturaepeuaria,sejaemdiversossetores
daatividade industrial; alem da segurana dos
trans-portesaereos,terrestresemartimos;dagera~aoe
dis-tribui~ao de energia e gereniamento da agua, dentre
outros. Atualmentedisute-seaextens~aodosoneitos
detempoelimapararegi~oesquen~aoest~aorestritasa
atmosferaproximaaosolo.
Dadas as araterstias ontinentais do territorio
naional (extens~ao e posi~ao geograa), ha a
nees-sidade de estabeleer tanto abordagens espaiais
am-plasomo abordagenspeuliares aregi~oes espeas,
oquerequeroonheimentodosmultiplosaspetosde
odimdge.inpe.br,http://www.dge.inpe.br/wotan
quaisquer fen^omenos sob investiga~ao. Por exemplo,
observa-se na meteorologia brasileira que muitos dos
modelos oneituaisde previs~ao detempo atualmente
em vigor possuem sua onep~ao original assoiada a
observa~oes e analises fsias dos fen^omenos oorridos
em regi~oes temperadas da Europa, Ameria do Norte
e
Asia. De umaformageral,eles podemserutilizados
emertassitua~oesnoBrasil;entretanto,essesmodelos
n~aoseapliamirrestritamenteamuitosdosfen^omenos
quediariamentes~aoobservadosnostropios. Conheer
melhor os proessos fsios geradores dos sistemas de
tempo, suas itera~oes entre esalas (larga esala,
es-alasinoptia,mesoesala,esalaloal emiroesala)
eseu padr~ao deomportamento (temporal e espaial)
nasdiversasregi~oesdoBrasiledevitalimport^aniana
melhoriadaprevis~aoregional.
Atualmente, entre as analises da atmosfera
as-soiadas as ondi~oes de tempo de interesse da
so-iedade, deve{seonsideraromonitoramento da
ativi-dadeeletriaatmosferiaemsuasvariasformasde
es-tudo(modelagemmatematia,investiga~oesfsias,
ex-perimenta~oes de engenharia, et.) e de suas
poten-iais aplia~oes, que, na parte de oleta experimental
de informa~oesde superfie,pode ontarom (a)
sis-temas de dete~ao e rastreio de rel^ampagos; (b)
sis-temasdeimageamentodefen^omenosatmosferios
(nu-vens, rel^ampagos, sprites, e outros fen^omenos optios
transientes); () sistemas de monitoramento austio
da atividade eletria, em espeial do trov~ao; (d)
sis-temasdemonitoramentodoampoeletrioatmosferio
(AC/DC){detetoreseldmill,detetoresdesferise
detetoressimilares;e(e)sistemasdeintegra~aodas
in-forma~oeseletriasasdemaisinforma~oesatmosferias.
Aessasaresentam{seaindaoutrastenologiasre
em-aprimoradasde monitoramento omousode satelites
edevariostiposderadares.
Para levar atermo esse tipode a~ao, eneessario
odesenvolvimentoe/ouaado~aodeequipamentos
te-nologiosavanados. Noentanto,primordialmente,ha
a neessidadede forma~ao ouapaita~ao de reursos
humanos para a investiga~ao proiente da fsia dos
fen^omenos, do tempo e do lima, e tambem da
apro-pria~aotenologia pertinente.
Assim, oproposito deste tutorial e olaborar para
a moderniza~ao dessas areas de estudo no Brasil por
meio do forneimento de uma vis~ao geral do assunto
Eletrodin^amia Atmosferiaepeloinentivoao
desen-volvimentodenuleosmultidisiplinaresousurgimento
de novos nuleos de estudo. Esse texto, portanto,
apresentadeformasuinta: oambienteeletrodin^amio
queenvolveaTerra; o enario abrangenteda
Eletrii-dade Atmosferia; elementos do Ciruito Eletrio
At-mosferio Global (CEAG); e topios de pesquisa em
II O ambiente eletrodin^amio da
terra
O Sol e o agente primario dos proessos naturais na
Terra e tambem sustenta a vida na litosfera.
Ini-ialmente apresenta-se o onheimento basio sobre
a g^enese do ambiente eletrodin^amio terrestre [1,2℄,
que envolveafsia do Sol, o ampo magnetio
inter-planetarioeoaoplamentoSol-Terra.
II.1 A fsia solar
OSol euma estrela omo muitas outras que
exis-temnoCosmo. Apresentadist^aniadoentrodaVia{
Latea de 310 16
km, veloidade angular em torno
do entro galatio de 200 km/s, raio solar mediode
6;9610 5
km,emassade2;010 30
kg. Aatmosfera
gasosado Solgira maisrapidono equadordoque nos
polos, apresentando um perodo mediode 27 dias
ter-restres. Em22 anos ompleta{seumilo de invers~ao
dapolaridadedoampomagnetiodoSol. As rea~oes
nulearesaonteem noentro doSol, ondea
temper-aturaede10 7
Keapress~aoede10 11
atmterrestres. A
seguir,aenergiaesapanaformaderadia~ao(naregi~ao
de0;2a0;8raio solar). Da ateasuperfievisvel,a
energia e transportada por onve~ao de materia. O
Soleosplanetas foramprovavelmenteondensadosda
materia gasosa interestelar em torno de 5 bilh~oes de
anos atras. OSoleera de70%em massaomposto
de hidrog^enioompequenas quantidadesde quase
to-dos os elementos. Podem-se onsiderar dois modelos
basiosparaoSol.
No Modelo do Sol Calmo, o Sol e visto omo
uma bola de gases quentes, simetriamente esferia e
estatia. Issosigniaqueaspropriedadessolares
mu-damapenasomadist^aniaradialequeseapresentam
uniformessobre qualquerasaesferia. Nestemodelo
estratia{seoSolemamadasaraterstias,ques~ao:
Nuleo: regi~aoemque,sobapropriaatra~ao
gravita-ional, amateria solareomprimida a uma
ele-vadadensidade eelevada temperatura,deforma
queasrea~oes nulearesoorrem. Essasrea~oes
s~aoafontedeenergiaqueestaontinuamente
ir-radiandoparaoespaoeproduzaatividadesolar.
Temaespessurade0;2raiosolar.
Zona intermediaria: regi~aoemqueaenergia
iniial-menteesapanaformaderadia~aoeaseguir
faz-seem proessodedifus~ao. Tem aespessura
esti-madade0;6raiosolar.
Zona de onve~ao: regi~aoemqueoproesso
turbu-lento de onve~ao de materia domina no
trans-porte de energia. Tem a espessura de 0;2 raio
solar.
Fotosfera: regi~aodoSolemqueamaiorparteda
Cromosfera: regi~aoaimadafotosferaomtom
aver-melhado (devido ao efeito de absor~ao e
re-emiss~ao da radia~ao eletromagnetia H). Tem
aespessurade15000km.
Coroa solar: regi~ao mais externa do Sol que se
es-tendepara omeiointerplanetario. Elaeafonte
do vento solar. Tem a espessura superior a
210 6
km.
AFig.1apresentaaestratia~aosolareouxode
energiadointeriorpara oexterior.
Figura1. Estratia~aosolar euxodeenergia.
A regi~ao oronal do Sol apresenta{se t~ao quente
(10 6
K) que mesmo a sua enorme fora gravitaional
n~aoonseguereteraspartulasqueapopulam. Dessa
forma, partedaoroaestaonstantemente
\evaporan-do", isto e, esapandoem um uxo aproximadamente
onstante para longe do Sol, eforma oquee
denomi-nadovento solar. Oventosolar arateriza{seporser
umplasma(gasionizadodeomportamentooletivoe
marosopiamenteneutro),essenialmenteformadode
protons,eletronsehelio;ujaveloidadevariade
apro-ximadamente200a1000km/squetemumadensidade
aproximadade10partulas/m 3
.
Em ontraste, oModelo do Sol Ativo onsidera os
proessosqueoorrememregi~oesloalizadasda
atmos-fera solar e dentro de intervalos nitos de tempo. As
ausas da atividade solar s~ao o ampo magnetio de
grande esala do Sol e a sua rota~ao diferenial (do
Sol). O ampo magnetio solar n~ao provem de um
dipolo no interior do Sol (omo o da Terra); porem
pareeresultardaontribui~aodosvariosampos
pro-duzidos nas amadas superiais do Sol. A intera~ao
diferenialproduzperturba~oesloalizadasnoSol,
per-mitindo a libera~ao de energia magnetia na forma
de energia inetia. Isso produz, entre outros fen^
o-menos, explos~oes solares e proemin^enias eruptivas e,
as vezes, por onsequ^enia, eje~oes de materia
oro-nal. Isso sobrep~oe{se aradia~ao eletromagnetia
nor-malmenteemitidapeloSol. Asexplos~oess~ao
essenial-menteumalibera~aoabruptadeenergiaprovavelmente
extradadoampomagnetiodasmanhassolares,
a-paz de aelerar eletrons eons ate altas energias. Ja
a proemin^enia eruptiva e um aro de plasma solar
aprisionadonaslinhasmagnetiasqueseexpandepara
longedoSol.
II.2 O ampo magnetio interplanetario
OampomagnetiodoSol,porestarimersoemum
plasma, destaa{se do Sol penetrando no meio
inter-planetario. Porefeitodepropriedadesmagnetias,esse
ampopropaga{seongelado noventosolar. Devidoa
rota~ao doSol, issodaorigem auma ongura~ao
es-piral(Espiral deArquimedes,Fig.2). Assim,aslinhas
deampomagnetiosolarem um hemisferio
afastam-seeno outroaproximam-se, atesofreremaolongo do
tempo uma invers~ao, o que arateriza entre outros
efeitosoCilo de atividade solar. Emonsequ^eniade
uma lei fsia de ontinuidade, surge entre os ampos
magnetiosinterplanetariosdeorienta~oesopostasuma
l^aminadeorrenteeletria,queseapresentaondulada
(om2,4ou6setores).
Figura 2. Congura~ao espiral do ampo magnetio e
l^aminadeorrenteeletriaheliosferia.
A intensidadee a orienta~ao do ampomagnetio
interplanetarioeadensidade,aomposi~aoea
veloi-dadedoplasmasolardependemdefen^omenosque
oor-remnoSolenomeiointerplanetario. Essesfen^omenos
podem serrelaionadossuintamenteomo:
Setorde l^aminade orrente: regi~ao de orrente
eletriaexistente peladesontinuidadedoampo
magnetioheliosferio.
Choque interplanetario: um feixe de plasma que
inter-abruptasdospar^ametrosinterplanetarios
(densi-dade, temperatura, veloidadedoplasmasolare
orienta~aoeintensidadedoampomagnetio
in-terplanetario).
Intera~ao de feixesinterplanetarios: um feixe
mais rapido que alana um feixe mais lento.
Carateriza{se geralmente por umainterfaenos
par^ametrosdensidade, veloidadeetemperatura
doplasmasolar.
NCDE (Nonompressive DensityEnhanement):
uma eleva~ao de densidade do plasma solar
que n~ao foi produzida por ompress~ao do meio
interplanetario, porem gerada no proprio Sol.
Carateriza{sepelaeleva~aonadensidadequando
aveloidadeestaderesendo.
Flutua~oes do tipoondas alfv^enias: perturba~ao
do meio interplanetario que se arateriza por
utua~oes orrelaionadas dos par^ametros
ve-loidade do plasma solar e das omponentes do
ampomagnetiointerplanetario.
II.3 O aoplamento Sol{Terra
A radia~ao eletromagnetia do Sol tanto aquee
quantoionizaaatmosferaterrestre. ComoaTerra
pos-suiumampomagnetio,oventosolarinidente
inter-age omessa atmosferaionizada e magnetizada,
esta-beleendouma regi~aoespaial din^amia queenvolvea
Terra,denominadaMagnetosfera,em queosproessos
fsioss~aodominadospeloampogeomagnetio(Fig.3).
Essaregi~aofsiaedeimport^anianosproessosde
de-posi~aodeenergiaedematerianaatmosferaterrestre.
Figura3. Umavis~aosimpliadadasregi~oesqueomp~oem
eenvolvemamagnetosferaterrestre.
Grosso modo, as regi~oes da magnetosfera podem
serlassiadasde diferentes modos,omo, por
exem-plo,quantoaregi~oesdelinhasmagnetiasfehadasou
abertas; quanto ao tipo eorganiza~aodo plasma; et.
magnetosfera e no noturno, um prolongamento,
ons-tituindo uma auda magnetosferia. Essa auda pode
armazenar energia om a libera~ao posterior gradual
ouabruptaetambem naformadeumabolhade
plas-mas (esta denominada plasmoide). O vertie polar
permite aesso direto do plasma solar a regi~ao da
at-mosfera superior da por~ao diurna da regi~ao auroral.
Nasregi~oesdemaisbaixaslatitudes,aspartulas
ini-dentes tambem ontribuem para oestabeleimento de
orrentes eletrias, ontribuindo para a energiza~ao e
apopula~ao dasaltasamadas(dist^ania superior a3
raiosterrestres).
Ouxodeenergiadoventosolaremuitomenos
in-tensoqueouxodeenergiadaradia~aovisvel;porem
a se~ao eaz de hoque e muitas vezes maior. A
energia potenialmente suprida pelo vento solar e de
aproximadamente 3;010 6
megawatts. A press~ao
din^amiadoventosolarouuxodemomentumontrola
otamanho damagnetosfera. A orienta~ao ea
intensi-dadedo ampomagnetiointerplanetarioontrolam a
taxadouxodeenergiadentrodamagnetosferaeesse
proesso de energiza~ao n~ao e estaionario. Como os
fen^omenosdeatividadesolaredomeiointerplanetario
afetam o aoplamento eletrodin^amio terrestre e, em
deorr^enia,afetamosdispositivoseletroeletr^onioseo
eossistema,umanovaareadeatua~aotemsedenido
atualmente,nosentidodemonitoramentodeumtempo
espaialemesmodeumlimaespaial. Essanova
pre-oupa~aoientaetenologiatemsidodesignadade
SpaeWeather Foreasting.
Assim, esse enario eletromagnetio e
eletrodin^amio ria efeitos os mais diversos | om
aqueimentos, ampos eletrios e orrentes eletrias
| na atmosfera terrestre, produzindo a mais variada
ordem de fen^omenos, om varias esalas espaiais e
temporaisdeoorr^enia.
III A eletriidade atmosferia
OtopioEletriidadeAtmosferiafazpartedaareade
pesquisa Eletrodin^amia Planetaria [3,4,1℄. Essee um
topiomultidisiplinar,sendoqueaabordagem
funda-mental e o Eletromagnetismo. Apresenta{se a seguir
o arabouo basio desta area de investiga~ao,
prin-ipalmente para os que n~ao tiveram oportunidade de
ontato om este assunto, e que bem provavelmente
ter~ao de estenderpesquisas sobreum ououtrotopio.
Fruto das pesquisas reentes dos autores onduzidas
no INPE, oproposito desse tutorial e despertar o
in-teresse e motivar a atua~ao de prossionaisde varias
areas (fsia, meteorologia, matematia, engenharia,
et.) em pesquisas ooperativas e integradas. Esse
texto desenvolver{se{a em torno dos ampos
eletriidade atmosferia debaixa altitude voltaa
des-pertarum interessesigniativoda omunidade
inter-naional, pelas reentes onstata~oes fsias, que
re-velam o arater integrado de toda a atmosfera. Isto
e, a troposfera (regi~ao ate aproximadamente 15km,
em que a temperatura ai om a altura) mostra{se
aoplada eletriamente a mediae aalta atmosferas, e
deumaformabastanteativa. Muitasdaspropriedades
eletriasdaatmosferapodemsertratadaspela
eletros-tatia. Aabordagemeletrostatiapodeseronsiderada
quandoas intera~oesentreas argasdependem dasua
posi~aorelativaen~aodosseusmovimentos. Mesmoos
rel^ampagos, que n~ao s~ao evidentemente estatios,
po-dem seriniialmente tratadosassim.
III.1 Elementos de eletriidade e
mag-netismo
Anaturezatemumapropriedadeeletriaintrnsea.
Com isso, quer se dizer que ha uma propriedade
fun-damental nas partulas elementaresque omp~oem os
objetos materiais, a arga eletria. Essa propriedade
basiapode serreveladaquandoseatritam osabelos
omumpenteemumaatmosferamaisseae,ent~ao,se
aproximaessepentedepequenospedaosdepapel. Os
papeiss~aoiniialmenteatradosedepoisrepelidospelo
pente.Fen^omenosemelhanteoorreaosefriionarum
bast~aodevidroomumpedaodesedaouumbast~ao
de ^ambar om um pedao de pele de gato ou, ainda,
quando seatrita obrao em umpedao deisopor. A
propriedadequeesses experimentosidentiamreebe
onomedeeletriidade, derivadodapalavragrega
elek-tronquesignia^ambar.
Figura4. Esquemadadistribui~aodeeletronsemum
atomo.
Experimentosdiversosrevelamaexist^eniadeduas
eletrias positivas e argas eletrias negativas.
Estu-dos mais aurados revelam que a materia e formada
de pequenos tijolinhos, denominados atomos (Fig. 4).
Osatomosonstituem{sedeprotons(om arga
posi-tiva e massa igual a 1;672510 27
kg), de eletrons
(deargaabsolutaigualadoprotonmasnegativaede
massa 1840vezesmenor que amassa do proton)e de
n^eutrons(ommassalevementemaiorqueadoproton
esemarga).
III.1.1Lei de Coulomb
Considerando-se a intera~ao eletria entre duas
partulas eletriamente arregadas em repouso para
um observador em um sistema de refer^enia inerial,
ou,quandomuito,emmovimentoabaixaveloidade,os
resultadosonstituem oquesehamade eletrostatia.
Essaintera~aoeregidapelaLei deCoulomb,em
home-nagem ao engenheiro fran^es Charles A. de Coulomb
(1736 1806),formuladaomo:
A intera~ao eletrostatia entreduas partulas
ar-regadas e proporional as suas argas e ao inverso do
quadradodadist^aniaentreelasetemadire~aodareta
queuneasduas argas.
Oumatematiamente:
~
F = 1
4
0 qq0
r 3
~
r; (1)
em quer ea dist^ania entre as duas argas q eq0, ~
F
ea fora que atua sobre qualquerdas argas e
0 ea
onstantepermissividade eletriado vauo.
Umaspetointeressanteequeaarga eletrian~ao
apareeomqualquerquantidade,poremapenasomo
ummultiplodeumaunidadefundamental(e),ou
quan-tum,ujovalore1;602110 19
C.
III.1.2CampoEletrio
Umoneitoabstratoutil eodoampoeletrio, ~
E,
produzidoporumaargaemumaposi~aoqualquerno
espao. Devidoaesseampo,umaargaqualquer(q0)
oloadanestepontosentiriaasoliita~aodeumafora.
Essagrandezavetorialpodeserformuladaomo:
~
E= 1
4
0 q
r 3
~r; (2)
O ampo eletrio obedee o prinpio da
super-posi~aolinear,istoe:
~
E
total =
X
i ~
E
i
: (3)
III.1.3Potenial eletrio
Uma partula eletriamente arregada, oloada
umpontoedenidoomoenergiapotenialporunidade
deargaoloadanoponto.
Considerando-seaenergiaassoiadaaongura~ao
deuma partulaem umampoeletrostatio,pode{se
esrever que a varia~ao do trabalho, ÆW, e dada por
umprodutoesalar:
ÆW = ~
Fd ~
`= q ~
Ed ~
`=qd; (4)
emqued ~
`eoaminhoperorrido. Issopermite
enon-traropotenialparaumaargaq,i.e.,
= 1 4 0 q r ; (5)
o quee onveniente esugestivo para oalulo do
po-tenial resultante para um onjunto de argas, pois o
potenial e um valor esalar, de mais fail manuseio
numerio. Expliita-sequeoampoeletrioedadopela
varia~aomaximadataxaespaialdopotenialeletrio
e seu sentidoe oposto adire~ao damaximavaria~ao,
ouseja:
~
E= r: (6)
III.1.4 O uxoeletrioe a Leide Gauss
Outrooneito muitoutil eaLeideGauss.
O uxo eletrio total atraves de uma superfie
fehada e dada pela arga eletria lquida total dentro
dessa superfie.
Naformaintegral:
= I
~
En^ds= q
total
0
: (7)
Naformadiferenial:
r ~ E= total 0 : (8)
A ombina~ao da Lei de Gauss om ~
E = r
desreve todos os fen^omenos eletrostatios. Embora,
emgeral,suaaplia~aon~ao sejatarefafailousempre
possvel.
III.1.5 Outras onsidera~oes relativas as
pro-priedades eletrias
Campos eletrios sobre e dentro de ondutores
eletrios| No interior dos ondutores eletrios n~ao
haveraampoeletrio,poisas argasmovimentar{se{
~
ao ate estabeleer um mesmo potenial eletrio. Ja
nasuperfie, as argasseajustar~ao deforma arestar
apenas aomponente de ampo eletrionormal a
su-perfie. As argas ser~ao retidas na superfie e n~ao
sofrer~ao mais soliita~ao tangenial a ela. Esse e o
prinpio que rege a gaiola de Faraday, ou seja, uma
superfieondutora hermetiamente fehadablinda o
interiordeumvolumeaamposeletriosexternos.
Corrente eletria |A intensidadede umaorrente
passa, por unidade de tempo, atravesde uma se~ao
daregi~aoporondeelaui. Asuaformula~aopodeser
dadaomo:
I= ÆQ
Æt
; (9)
emqueI eaintensidadedaorrente,ÆQaquantidade
deargaeÆtointervalodetempoonsiderado. A
or-renteeletriaeexpressaemoulombs/segundoouCs 1
,
designadaampere(unidadeA)emhomenagemaofsio
fran^es Andre M. Ampere (1775{1836). Por raz~oes
historias,osentidodeuma orrente eletriaesta
on-venionadoomosendoodomovimentodaspartulas
arregadas positivamente. Trata-se do mesmo
sen-tido do ampo eletrio apliado ou da queda de
po-tenial que produz o movimento das partulas
ar-regadas. Portanto,seaorrenteedevidaaomovimento
das partulasarregadasnegativamente,tais omo os
eletrons, osentidodaorrenteeopostoao movimento
realdoseletrons.
Polariza~ao da materia | A polariza~ao oorre
quando um agente leva uma por~ao da materia a ter
umaargaresultanteemumaregi~aoeumaargaoposta
emoutraregi~aodesloadarelativamenteaessaprimeira
regi~ao. Apor~aodamateria torna-seent~aoumdipolo
eletrioquetendeaseorientaremoverna dire~aoem
queoamporese.
III.1.6 As equa~oes de Maxwell
O entendimento mais elaborado do fen^omeno dos
ampos eletriosedasdesargaseletriasatmosferias
exige a onsidera~ao de grandezas om varia~ao no
tempo e a onsidera~ao de aspetos magnetios. No
entanto, tal detalhamento no formalismo n~ao podera
serrealizadoemespaot~aoreduzido;opropositoe
so-menteumamuitosuintaapresenta~aodasequa~oesdo
eletromagnetismo.
Ainten~aoeinformarqueasequa~oesdeMaxwell,
juntamenteomondi~oesdeontornoedeinforma~oes
do meio ambiente permitem uma desri~ao ompleta
dosfen^omenos eletrodin^amios. Essasequa~oesparao
espaolivres~ao:
r ~ E = 0 ; (10) r ~
B = 0; (11)
r ~ E = ~ B t ; (12) r ~ B = 0 ~ J+ 1 2 ~ E t ; (13)
emqueeadensidadevolumetriadearga,emCm 3
;
~
J eadensidadede orrente,em A=m 2
; e ea
veloi-dadedaluznovauo. Aopera~aor ~
A,onde ~
Avetor
qualquer,daaideiadeumuxodivergindo deou
on-vergindoparaumpontonoespao;enquantor ~
III.2 A natureza eletria da atmosfera
Otermoeletriidadeatmosferianaseu doesforo
primordial de estudar a omponente eletrostatia do
ampogeoeletromagnetio.
Antes da era espaial, experimentos em bal~oes
in-diavam a exist^enia de um \apaitor atmosferio",
onstitudo por uma eletrosfera (70 150 km de
altitude), a superfie ondutora da Terra, e o ar
entre essas \superfies". Atualmente, pesquisa-se
um sistema mais omplexo, onstitudo de ampos
eletrios planetarios (onsiderar um regime de baixas
frequ^enias). Como a atmosfera e eletriamente
on-dutora, um ampo eletrio, para ser mantido, deve
ser provido por foras n~ao{eletrias. Os meanismos
basioss~ao:
Intera~aodoventosolaromamagnetosfera;
Intera~ao dos ventos de mare om o plasma
ionosferionaregi~aododnamoionosferio;
Tempestadeseletriasnaparteinferiorda
atmos-fera.
III.2.1 Campos eletrios planetarios
AestruturaeletriaqueenvolveaTerra
arateriza-sepelaexist^eniadosseguintesamposeletrios:
1. Campoeletriointerplanetario
O vento solar ebasiamente um plasma
perme-ado por um ampo magnetio. Um observador
em movimento relativo a esse plasma sentira o
seguinte ampo:
~
E= ~
V ~
B
h
; (14)
em que ~
V e a veloidaderelativado observador
omrespeitoaoplasma; ~
B
h
eoampodeindu~ao
magnetiaheliosferia.
2. Campoeletriodeonve~ao
O ampo eletrio de onve~ao e um ampo
eletrioquase-estatioedegrandeesalaque
exis-tenamagnetosferaterrestre.
Teoriaspropostas:
1. Arrastovisosodo plasmada magnetosfera pelo
ventosolar. Issoriaumuxodeplasmanaauda
damagnetosfera, queorigina um ampoeletrio
(Fig.5):
~
E =
~
V
~
B: (15)
Figura 5. Esquematiza~ao doarrasto visoso(vista
detopodoHemisferioNorte).
2. O proesso de reonex~ao magnetosferia (fus~ao
doampogeomagnetioomoampomagnetio
interplanetario) permite a inu^enia do ampo
eletriointerplanetario nointeriorda
magnetos-fera. Isso origina o movimento onvetivo do
plasmamagnetosferio(Fig.6),regidopor:
~
E
i =
~
V
s
~
B
i
: (16)
Figura6. Esquematiza~aodomovimentoonvetivo
doplasma magnetosferio(vistaomumorte
meri-dional).
Emperodosmagnetiamente almos (ndie
ge-omagnetio kp 2), a magnitude do ampo
eletrio,kEk,edeaproximadamente0;3mV =m
(milivolts/metro).
3. Campoeletriodepolariza~ao:
Amedidaqueoplasmadaaudaaproxima-seda
Terra,ganhandoenergiaomoaumentoda
inten-sidade do ampogeomagnetio, a deriva devida
ao gradiente deB torna-se importante no
movi-mento,detalformaqueastrajetoriasdederivade
protons eeletrons s~ao separadas. Issogera uma
separa~ao de argas (onstituindo a amada de
Alfven), queresultaemumampoeletrio. Esse
ampoeletrioenosentidorepusulo-alvorada,
para blindar a plasmasfera do ampo eletrio
de onve~ao. A amada de Alfven depende
da ondutividade da ionosfera e da energia das
4. Campoeletriodepenetra~ao
Esteampoeletrioresultadodesbalaneamento
do ampo eletrio de onve~ao e do ampo
eletrio de polariza~ao. O meanismo de
trans-fer^eniaparabaixaslatitudesn~aoestaaindabem
onheido.
5. Campoeletriodeo{rota~ao:
Admitindo-se que a ionosfera e altamente
on-dutora, rigidamente aoplada a atmosfera e
en-volvidapor um plasmaondutor, aongura~ao
total do ampo geomagnetio tendera a girar
rigidamente om a Terra. Campos eletrios (e
magnetios)emsistemasrefereniaisde
movimen-tos n~ao-relativstioss~aodadospelarela~ao:
~
E ?
= ~
E+ ~
V ~
B; (17)
~
B ?
= ~
B; (18)
emqueosmbolo?refere-seaosistemaem
movi-mento eaaus^eniadesse smboloidentiao
sis-temaemrepouso. Aveloidadezonaledadapor:
V
=!
t
Ros(); (19)
emqueealatitude,!
t
eaveloidadeangularde
rota~ao,eRadist^aniaradialaoentrodaTerra.
Issoimpliaoampoeletriodeo{rota~ao:
~
E
= !
t
RB os() ^
R; (20)
6. Campo eletrio do dnamo ionosferio (almo e
perturbado):
Odnamoionosferioeonsequ^eniadainu^enia
do Sol e da Lua na atmosfera terrestre. O Sol
atuabasiamenteporaqueimentodaamadade
oz^onioevapord'agua,eaLuaatuaemfun~aoda
atra~ao gravitaional. O Sol e aLua produzem
foras osilatoriasnaatmosferaom perodosde
fra~oesdodiasolar(24h)edodialunar(24;8h).
Essas foras d~ao origem a movimentos do ar
neutro (ventos de mare), fundamentalmente na
dire~ao horizontal. O movimento do ar atraves
das linhas de ampogeomagnetiogeram foras
eletromotivas que produzem orrentes eletrias
(Fig. 7) em altitudes em que a ondutividade
eletriaeapreiavel(prinipalmente naregi~aoE
ionosferia). Por ausa das varia~oes da
on-dutividade na vertial e na horizontal, as
or-rentes n~ao podem uir livremente em todas as
dire~oes e, deste modo, polariza~oes s~ao
estabe-leidas. A regi~ao do dnamo estende-se
prati-amente de 90 a 150km de altitude. A ordem
de grandeza do ampo eletrio e de 1 mV/m.
Quanto a intensidade relativa, kE
lunar
k 5%
da k E
solar
k. Perodos magnetiamente
per-alteradosdeE. Odnamoperturbadoe
estabele-idopelas perturba~oes dosventos termosferios
produzidosporaqueimentoauroral.
Figura7. Dnamoionosferio. Representa~ao
simpli-adadomeanismodeuxodeorrentedodnamo
ionosferio.
7. Campoeletriodabaixaatmosfera:
Nabaixaatmosfera(altitudesH/70km),existe
umampoeletrioquase-estaionarioomsentido
vertialeparabaixo,quebasiamenteoorreem
regi~oesdoeulimpo,denominadoampoeletrio
de tempo bom. A diferena de potenial entre
aeletrosfera e asuperfieda Terrae da ordem
de 300 kV. A densidade de orrente eletria e
deaproximadamente 210 12
A=m 2
ea
om-ponente vertial do ampo eletrio e, no solo,
da ordem de 100V =m. Atribui-se as nuvens
umulonimbus, oorrendo em varias regi~oes do
globoterrestre,araz~aoparaamanuten~aodessa
diferenaonstantedepotenial. As
Cumulonim-bus s~ao nuvens que se apresentam omo
estru-turas eletrias intrnseas, podendo onter
ar-gaseletriasde elevado valor. Essaompreens~ao
fsialevaaproposi~aodooneitodeumiruito
eletrioatmosferioglobal.
IV Elementos do iruito
eletrio atmosferio global
A atmosfera da Terra mostra{se omo um iruito
eletrio omplexo [5,6,7℄. A parte desse iruito
ana-lisada aqui e a por~ao mais proxima da superfie
( 150km). Essaregi~aorevela{seomo um apaitor
esferio, onde a ionosfera e a superfie externa
ar-regadapositivamente,enquantoasuperfiedaTerrae
a esfera interna on^entria a primeira, arregada
ne-gativamente, sendoanuvem de tempestade ogerador
que ageno sentidode manter a arga negativada
es-ferainterna, ontribuindopara amanuten~aodas
ar-gaspositivasnaesferaexterna. Essaidealiza~aoreebe
Figura8. CiruitoEletrioAtmosferioGlobal.
A radia~ao eletromagnetia inidente ioniza a
at-mosferaterrestre,denindoumaregi~aoaltamente
ioni-zada|aIonosfera|,loalizadaaproximadamente
en-tre70e1000km. AIonosferamostra{sepositivamente
arregadaeasuperfiedaTerra,negativamente,oque
daorigemaumampoeletriovertialapontandopara
baixo. Ovalordesseampoproximoaosoloedeera
de100V/m. Aatmosferaontidaentreessasregi~oese
uma misturahomog^eneadegases(Nitrog^enio75%e
Oxig^enio24%),n~aoonstituindoumisolanteeletrio
perfeito. Esserelativoaraterondutorpermiteouxo
de uma orrenteeletria deima parabaixo, deera
de 210 12
A/m 2
, que integradapara toda aTerra,
resulta umaorrenteda ordemde 1kA. Essaorrente
eletria de tempo bom anularia a diferena de
poten-ialionosfera{soloemumtempoestimadode10
minu-tos. Noentanto,essadiferenadepotenialsemantem,
sendo as nuvens umulonimbus identiadas omo as
prinipais responsaveis pela manuten~ao dos
poteni-ais. Elasatuamomoumgeradoreletrio,reompondo
asargasnaatmosfera. Orel^ampago,aomesmotempo
que e um efeito, tambeme um agente desse proesso
eletrodin^amiodetransfer^eniadeargasedeenergias.
IV.1 A eletria~ao das nuvens
A eletria~ao das nuvensresulta dasepara~ao de
argaseletriasesuasegrega~aonoespaopelos
movi-mentos do ar e de partulas supensas. Os
meanis-mos envolvidosnessa eletria~ao apoiam{se nas
teo-riasdearregamentoporpreipita~aoeporonve~ao.
No entanto, o meanismo que predomina ou a
pro-por~aoomqueadaumatuaaindan~aoestadenido.
Paraesseentendimentos~aoneessariaspesquisassobre
variospar^ametrosimportantes,omoamposeletrios,
argas eletrias,movimentos doar,preipita~ao,
om-portamentodosrel^ampagos,et. Esseentendimentoda
eletria~ao das nuvens depende da analise de
aspe-tos marosopios e mirosopios e tambem dos
de-senvolvimentosdin^amios.
IV.1.1 Teoriaspara a eletria~ao das nuvens
Grosso modo, a estrutura eletria das nuvens
u-eletrio vertial om o entro de arga positiva
prin-ipalna parte superior, aima de um entro de arga
negativa. Haaproposi~aodeumentro seundariode
argaspositivasabaixo deentro de argasnegativas.
Duas explia~oes para a ria~ao e manuten~ao dessa
estruturaeletrias~ao:
1. A hipoteseda preipita~aoonsiste naaquisi~ao
de argas eletrias negativas por hidrometeoros
e seu movimento desendente, devido a atua~ao
gravitaional,omrespeitoaspartulasmenores
(maisleves)positivamentearregadas. Nessa
teo-ria,hadoismeanismosmirosopiosde
arrega-mento asereminvestigados: (a) transfer^eniade
argaporindu~ao eletriae(b)transfer^enia de
argapormeiode olis~oes entre granizo,saraiva
eristaisdegelo.
2. Ahipotesedaonve~aoonsistenotransportede
argaseletriaseseuaumuloseletivoemregi~oes
espeasda nuvem. As argas eletrias
pode-riam ser provenientes do movimento onvetivo
dasargasespaiaisdoefeitoorona(argas
libe-radas na superfiepelo efeito das pontas) e/ou
das argas espaiais assoiadas aos meios om
ondutividadeseletriasdiferentes.
IV.1.2 Outros aspetos da eletria~ao das
nu-vens
A tenia de observa~ao pelos radaresdoppler das
Cumulonimbus revela{se util para a identia~ao dos
movimentos interiores nas nuvens. Busa{se
rela-ionar os lugares de maior reetividade om aspetos
daoorr^eniade desargas eletrias(loaliza~ao, taxa
temporal, et). De formaauxiliar, observa~oesin situ
ontribuempararevelaranatureza,tamanhoe
quanti-dadede arga eletriadasnuvens edas preipita~oes.
Outra tenia que permite ompletar a ompreens~ao
daeletria~aodasnuvenseainvestiga~aodosampos
eletriosinternosenasvizinhanasdasnuvens
eletri-adas. Noentanto, essas medi~oest^em mostrado
on-sideravelvariabilidade.
Em tempo bom, o ampo eletrio esta orientado
vertialmente parabaixo. Comapresenadas
Cumu-lonimbus, o ampo apresenta uma varia~ao assoiada
auma onforma~ao multipolar de argas. Proximoa
superfie,emumaregi~aodelgada(H/100m),as
ar-gasespaiais,devidoaoefeitooronaafetamessevalor
deampoeletrio. Camposeletrioshorizontais
tran-sientes observados em baixo das Cumulonimbus t^em
sidoatribudosaargaspositivasdepositadasnas
pre-ipita~oes pelos rel^ampagos. Investiga~oes
experimen-taisrevelamqueoentrodearganegativo,naparte
in-feriordaCumulonimbus( 3a 12 o
C),emaisdenido
e disp~oe{se em uma distribui~ao mais horizontal. Ja
deblindagem, istoe,argasespaiaisaumuladas, nas
fronteirasdanuvem deorrentedamudanade
ondu-tividadedomeiofsio.
As emiss~oes em radio{frequ^eniaassoiadasom a
ruptura dieletria e do proesso de desarga eletria
na Cumulonimbus s~ao observadas em uma parte
am-pladoespetroderadia~ao,de varioskHzamaisque
10GHz. Os meanismos propostos omo produtores
dessasemiss~oess~ao:
1. aelera~aodasargasnapontadosanaisem
de-senvolvimento;
2. tortuosidades de pequenas esalas do anal do
rel^ampago;
3. ramia~oes de pequena esala no
desenvolvi-mento das estruturas do anal tanto dentro
quantoforadaCumulonimbus;
4. intera~oes eletrias entre as partulas
preipi-tantes.
Umdosinteressespara adete~aodessasemiss~oese
queelaspermitemidentiarasregi~oesfontese
investi-garasestruturaseletriaseapropaga~aodasdesargas
eletriasassoiadasasumulonimbus.
Ostrov~oesqueaompanhamosrel^ampagosemuma
nuvem umulonimbus resultam da rapida expans~ao
do ar aqueido na passagem da orrente eletria. O
som araterstioe variadodesses trov~oes deorreda
posi~aodas partesdoanal queoproduzem, relativas
aoobservador;dearaterstiastermodin^amiasda
at-mosfera;edeobstaulosasuapropaga~ao. Parase
es-timar adist^ania (em quil^ometros)de um rel^ampago,
umaregrapratiaeoobservadoremquest~aodividiro
tempo deorrido entre o brilho perebido eo som
ou-vidopor tr^es(otempodevesertomadoemsegundos).
Emareasabertas,esseproedimento podeauxilia-lo a
ter umaperep~aomnimadoperigoaque podeestar
exposto.
IV.1.3 Eletria~aode nuvens emoutros
plane-tas
Evid^eniasderel^ampagost^emsidoidentiadasna
atmosfera tanto de V^enus quanto de Jupiter. Essas
onstata~oessed~aopormeiodomonitoramentode
lu-minosidadestransientes;deemiss~oeseletromagnetias;
e da presena de ondas que afetam o omportamento
de partulas eletrias ao longo de linhas de ampo
magnetioplanetario. Apossibilidadededisporde
in-forma~oes das ondi~oes ambientais planetarias e,
as-sim, omparar as informa~oes das desargas eletrias
planetarias om os par^ametros terrestrese muito
ins-tigante para o onheimento das estruturas de
nu-vem e dassuas eletria~oes. Nosproximosanos,
es-sasinforma~oesplanetariasdever~aoseroletadasmais
pratiaseratestarosmodelosfsiosriadospara
estu-darastempestadesseverasnaTerra.
A fsia dos rel^ampagos
Comapossibilidadededete~aodosrel^ampagosem
bases ontnuas, de forma mais eiente, e
geogra-amente abrangentes, o fen^omeno rel^ampago omea
a ganhar ^enfase prinipalmente omo um elemento
traadoratmosferio,poisrelaiona-seaaraterstias
meteorologias(porexemplo: profundidade danuvens
umulonimbus)eapropriedadeseletrodin^amiasda
at-mosfera(porexemplo: ondutividadeeletria). Varias
areas de pesquisa (omo aFsia, as Ci^enias
Espai-ais, aMetereologia,aEngenhariaApliada, et.) t^em
desenvolvido novos planos de investiga~ao, pois esse
fen^omeno,que se areditavaalgobem onheido, tem
reveladoaspetosinusitados (veraSe~aoV).
Aumen-taram,assim,asmotiva~oesparapesquisasdedete~ao
onjuntasomradares,satelites,monitoramento
obser-vaionaldesuperfie,et. Apossibilidadedeusoinlui
analisesdaevolu~aodastempestades,severidade,o
de-senvolvimentodemodelagens,et.
Osrel^ampagost^emumagrandeimport^aniana
na-tureza e no ambiente humano, fomentando pesquisas
sobre o iruito eletrio atmosferioglobal e,
partiu-larmente, sobre asatividades eletriasdas nuvens
u-mulonimbus. ^
Enfase maioredada a investiga~ao dos
meanismos eletrios e dos proessos eletrodin^amios
relaionados aos rel^ampagos devido ao proposito de
aplia~oes tenologias e de segurana, pois essas
desargastransportamgrandequantidadedeenergiae
ausam efeitos eletromagnetios, destrui~oes emortes.
Pela sua loaliza~ao geograa e extens~ao territorial,
o Brasil apresenta grande oorr^enia de rel^ampagos,
propiiandoondi~oes deumimensolaboratorio
natu-ral.
IV.2.1 Aspetohistorio
A mais antiga refer^enia ienta identiando a
exist^eniadeumaeletriidadeatmosferiaesuarela~ao
omosrel^ampagospareeserde1708. Aposisso,esse
interesseomeouaseespeializar.
Muitos pensamque foi o losofo e ientista
norte-ameriano Benjamin Franklin aprimeira pessoa a
re-alizar um experimento em que se observasse fagulhas
devidasaeletriidadeassoiadaasnuvens. Elefoi
pre-edidopelo pesquisador fran^esD'Alibard(1752). Um
m^es depois, em vez de usar uma haste metalia om
um o aterrado omo no experimento fran^es,
Ben-jaminFranklinobtevesuessoempinandoumpapagaio.
Issopermitiu estabeleerientiamenteapresenade
eletriidadenasnuvensde tempestade. Franklin
suge-riu ouso deondutores para apreven~aoda desarga
eletria. Emprosseguimento aesses estudos,deforma
independente,ospesquisadoresLemonniereDeRomas
Esses resultados evideniaram a eletriidade
asso-iada a nuvens umulonimbus, a possibilidade de se
onstruir um aminho ondutor para esoamento da
desargaeletriaeaexist^eniadeumregimedeampo
eletrio na atmosfera. Isso riou toda uma area nova
de estudos nas geoi^enias, pois, alem da uriosidade
ienta,essaserevelavaumassuntopreoupante
pe-losefeitosdanososdofen^omeno.
IV.2.2 O rel^ampago
De uma forma geral, os rel^ampagos onsistem
de uma desarga eletria transiente de elevada
or-rente eletria atraves da atmosfera. Em geral, essas
desargas s~ao onsequ^enias das argas eletrias
au-muladas ( 10{100 C) nas umulonimbus e oorrem
quando o ampo eletrio exede loalmente o
isola-mento dieletriodoar(>400kV/m).
Osrel^ampagospodemserlassiadosquantoa(a)
origem e ongura~ao, (b) multipliidade (numero de
desargasque oonstitui), e() suapolaridade(arga
eletriaassoiada).
Quantoaformadeoorr^eniaeongura~ao(a),os
rel^ampagoslassiam{se em rel^ampagosnuvem{solo,
solo{nuvem,entre{nuvens,intranuvens,horizontais(ao
projetarem{seeterminaremomoquenoespaovazio
lateralanuvem),eparaaestratosfera(Fig. 9).
Figura 9. Classia~ao dos rel^ampagos quanto a forma
deoorr^enia. Umavis~aosimpliada dalassia~ao dos
rel^ampagosquantoaformadeoorr^enia.
Embora n~ao sejam os mais abundantes, os
rel^ampagos nuvem{solo eram anteriormente os que
mereiam maior aten~ao nas pesquisas, devido aos
prejuzos materiais queausavamou aos risosa vida
que inigiam. No entanto, devido aos avanos
te-nologios que tornaram, por exemplo, as aeronaveis
mais susetveis a inu^enia eletria ou
eletro-magnetia, todasasformas de manifesta~ao omeam
areeberigualaten~ao. As outrasformasn~ao s~ao t~ao
bemonheidasquantoasnuvem{solo.
Quantoamultipliidade(b),osrel^ampagosnuvem{
solo s~ao formados, em geral, de uma unia desarga
eletria (denominadadesarga de retorno); porem
po-onseutivas. Tais desargas perduram por 10{200
mirossegundos e apresentam-se separadas no tempo
porumintervaloaproximadode3a500milissegundos,
ujovalortpioeemtornode40milissegundos.
Quanto a polaridade, um rel^ampago que se iniia
emumaregi~aodeargasnegativasedenidoomoum
rel^ampago de polaridade negativa; se em arga
posi-tiva, um rel^ampagopositivo; e seapresenta desargas
multiplasomambaspolaridades,umrel^ampago
bipo-lar. Oproessofsioassoiadoamanifesta~aode
po-laridadee mais sutil do que se pode pereber
iniial-mente,devidoaignor^aniadedetalhesfsiosdo
trans-porte de argas, traduzida vagamente nas express~oes
\transportedeargasefetivo",\redu~aodeargas
efe-tiva",\neutraliza~aodeargasefetiva" ou\transporte
deargasefetivo".
IV.2.3 Analise de um rel^ampago nuvem{solo
negativo
De uma forma geral, paree oorrer uma ruptura
dieletria preliminar na partebaixa danuvem; segue{
seodesenvolvimentodeumlder esalonado(desarga
quepreede eria oanal dorel^ampago);proximoao
solo asende uma desarga onetante, que ompleta
o anal; e resulta ent~ao uma desarga de retorno, de
neutraliza~ao das argas. Em geral, quando oorrem
desargas subsequentes, as desargas de retorno s~ao
iniiadas por um lder ontnuo e pouas vezes om
ramia~ao. Algumas vezes, uma orrente ontnua
sustenta{se pelo anal ionizado. O aumento da
lu-minosidade do anal aompanhado por uma rapida
varia~aodoampoeletrio,queasvezesaontee,e
de-nominadoomponente M.O denominadoproessoKe
geralmenteinterpretado,emboraexistamontroversias,
omo uma pequena desarga de retorno que oorre
quando adesarga propagante, dentro da nuvem,
en-ontra um bols~ao de argas de sinal oposto. O
pro-essoJseriaumalentadesargapropagantequeiniiou
oproessoK.
A fsia da rupturadieletriapreliminaraindan~ao
eentendida, seeque ha umunio e bem identiado
evento.
O lder esalonado move{se apassos suessivos de
10 a 200 m de omprimento, om um valor tpio de
50m. Existempausasentre ospassosde
aproximada-mente 50 mirossegundos, variando de 30 a 120
mi-rossegundos. A veloidade do lder varia de 10 5
a
310 6
m/s,omumvalortpiode310 5
m/s. Podem
oorrer100oumaispassoseolderdispendeemtorno
de 10 milissegundos para alanar o solo partindo da
base danuvem. A argado lder estaontidaem um
analomodi^ametrode1a10meapresentandouma
densidade de arga distribuda quase uniformemente,
valor em torno de 10 3
C=m. A densidade de arga
doslderesesalonadosealtamentevariaveleestimada
nointervalo de 10 5
a210 3
pro-de arga negativa s~ao distribudos ao longo do anal,
ques~aoneutralizadospeladesargaderetorno.
Adesargaonetantesurge quandoolder
esalo-nadoaproxima{sedealgumobjetoondutor, talomo
uma arvore, ummonte de terra, atorrede uma linha
de transmiss~ao, et., pois o ampo eletrio produzido
pelaarganolderpodeserintensiadopeloobjetoe
dar origem auma desarga a partirdo objeto. Nesse
instante o iruito eletrio e formado e uma desarga
deretornotemorigem,\esoando" ou\neutralizando"
aargaeletriaassoiadaaoanal.
IV.2.3 Considera~oes sobrea nomenlatura
Emgeral,odomniodeumtopiodepesquisaesta
assoiadoaumanomenlaturalara,onsistentee
om-pleta. A falta dessa nomenlatura no vernaulo ou
traduz uma fenomenologia nova oulaunas nas
inves-tiga~oesdeumaomunidadeienta. Como
~oesbasiasnoBrasil,relaionam{se:
Rel^ampago: designa~aodoproessodedesargas
at-mosferiasompleto.
Raio: designa~ao oloquial para o aminho luminoso
da desargaatmosferia,asvezesutilizada,mais
formalmente,paradesignaruma desargaparao
solo.
Trov~ao: designa~ao do efeito sonoro da desarga
eletria atmosferia, devida a expans~ao abrupta
doaraqueidopeladearga.
Noentanto,hauma nomenlaturamaisextensana
literaturainternaional,em geralde arateranalogio,
para as manifesta~oes dos rel^ampagose muitasainda
sem equivalentes no vernaulo. Isso e onsequ^enia
da falta ou da poua observa~ao visual do fen^omeno
no Brasil e de uma doumenta~ao sistematizada.
Apresentam{se,aseguir,algunstermosusados:
Desarga aerea: umadesargaquen~aoseonetaao
solo.
Sheetlightning: rel^ampago que visualmente se
mostralaminar.
Heat lightning: rel^ampagoquen~aoevistoououvido
devidoadist^ania daumulonimbuseseriauma
oorr^eniaomumduranteover~ao.
Roketlightning: uma longa desarga aerea que
lembraotrajeto deumfoguetenoeu.
Spider lightning: umrel^ampagoaereolongo
apresen-tandomultiplasramia~oes(rel^ampagoaranha).
Presentefrequentementesobnuvensestratiformes
tais omo as que aompanham sistemas
onve-Forked lightning: rel^ampagonuvem{soloqueseabre
emramia~oesqueseonetamaosolo.
Ribbonlightning: rel^ampagos de multiplas
desar-gas em que elas oorrem em posi~oes levemente
alteradasdevidoaovento.
Bead lightning: rel^ampago que se mostra om
al-tern^ania ao longo do anal de regi~oes laras e
esuras,omosefossemontasemumolar.
Ball lightning: rel^ampago{bola e o rel^ampago de
formaaproximadamenteesferiaquedesloapela
atmosfera, aparentemente desonetado de uma
fonte de arga. N~ao hauma provavisual inequ
voa dasuaoorr^enia, emborasejam muitosos
relatos. As explia~oesfsias aindaest~ao sendo
disutidas.
Quantoaategoriadosrel^ampagosemonex~aoom
osolo,elespodemserlassiadosomo:
Rel^ampagosnaturais: rel^ampagosqueoorremsem
envolver nenhuma estrutura ou interven~ao
hu-mana.
Rel^ampagosartiialmenteinduzidos: rel^
ampa-gosqueoorrem devidoaestruturasonstrudas
ou por interven~ao humana, omo, por
exem-plo,rel^ampagosassoiadosaestruturasartiiais
muitoaltas,aaeroplanoseafoguetes.
V Assuntos de pesquisa da
eletrodin^amia atmosferia
O ampo de pesquisa sobre as desargas eletrias
at-mosferiastem{sedemonstrado muito rio de
aborda-gens epromissor em termos de aplia~oes [9-13,7℄. O
ensinodessaareadei^enianoBrasilpreisasermenos
equivoadonoentendimentodosfen^omenos(omo,por
exemplo, em livrosesolares, aarma~aoinorreta de
queosrel^ampagossurgemda olis~aodenuvens),mais
apto na apropria~ao dos temas e mais pronto nos
de-senvolvimentos. Paraisso,algunstopiosdepesquisas
reentes ser~ao relaionados, om o m de motivarem
pesquisasinovadoraseessasseremdeauxlioao
desen-volvimento dedomniotenio{iento.
V.1 Modelos para a eletrodin^amia
at-mosferia
Nos ultimos 30 anos, inumeros modelos t^em sido
desenvolvidos para entendimento do omportamento
eletrodin^amioatmosferioonernenteaoCEAG.
En-tre esses modelos, alguns lidam om situa~oes
es-peasebusamanalisaradistribui~aodeargas,os
ampos eletrioseosrel^ampagos.
Emgeral,paraaobten~aodeummodeloparaa
tra-jetoriaeomportamentodorel^ampago,assume-sequeo
LderEsalonadoprogridenadire~aodoampoeletrio
( r,queeogradientedopotenialeletrio)existente
na frente desse lder. De aordoom o grau de
om-plia~ao e realismo da simula~ao numeria, fazem{se
aproxima~oesnoformalismoadotado. Considerando-se
queosamposmagnetiosgeradospossam ser
deson-siderados, queaondutividadeeletriadaatmosfera
euma grandezaesalarequereseexponenialmente
om a altura, que a orrente eletria obedee a lei de
Ohm simpliada, e tendo a ionosfera e o solo omo
ondi~oesdefronteiras,tem-seaseguinteequa~aopara
opotenialesalar:
1
T
r
2
0
r 2
+2K
z
= 1
0 rJ
s
; (21)
em que
T
tempoaraterstiodoproesso;
0
permissividadeeletriadoespaolivre;
0
tempoderelaxa~aoeletriodoar;
K onstantequerepresentaesaladealturada
ondu-tividadeeletria;
J
s
densidadesuperial deorrentedasargasfontes.
Esse potenial permitira determinar o ampo eletrio
~
E= r.
Os rel^ampagos aonteem em um tempo
ara-terstio
muito pequeno (< 1 s); assim, em uma
simplia~ao,sooprimeirotermo doladoesquerdoda
Equa~ao 21preisa seronsiderado. A equa~ao
resul-tanteeasolu~aooulombiana.Aestasolu~aoadiiona{
se a solu~ao da Equa~ao 21 antes da oorr^enia da
desarga eletria,omo uma ondi~ao iniial, que
or-respondeaoproessodesepara~aodeargasnanuvem.
Estaondi~aoiniialeobtidaonsiderando-seapenaso
segundotermo doladoesquerdo daEqua~ao21. Esta
solu~ao ombinada permite estabeleer uma analise
eletrodin^amia da atmosfera e,em partiular, simular
atrajetoriadorel^ampago.
V.1.2 Modelos eletrodin^amios
Os difentes modelos para a eletrodin^amia
at-mosferias~aoapresentadosaseguir.
O trabalhodesenvolvido por Anderson and Freier,
em 1969, estabeleeu o formalismo teorio (omo na
Se~ao V.1.1) neessario para estudar a trajetoria do
rel^ampago na atmosfera. Considerando-se as rapidas
altera~oes assoiadas ao rel^ampago omparadas om
a situa~ao quase estaionariada atmosfera, nesse
tra-um dipolo vertial om uma atmosfera om
ondu-tividade onstante om a altura e om uma
ondu-tividade que aumentava exponenialmente om a
al-tura. Tambem se analisaram as mudanas de
poten-ialeletrioduranteaasens~aodasargaspositivasda
partebaixa daatmosfera,queeventualmente
neutrali-zamasargasdoentropositivomenornabaseda
nu-vem. Com esse modelo obteve-seum meanismo
on-vetivo que expliava o arregamento regenerativo da
umulonimbus.
Takagi eolegas, em 1986,onsideraramuma
on-gura~aovertialeinlinadaparaodipoloeletriodas
umulonimbus. Elesalularamapropor~aode
desar-gaspositivasom rela~aoao totaldelas. Nesse
mode-lo, onsiderou{se que o lder esalonado iniia{se em
umilindro innitodeargaseprogridenadire~aodo
gradientenaponta dadesarga,emuma atmosferade
ondutividadeeletriaonstante. Conseguiu-se,assim,
ummeanismoque expliavaasaltasperentagensde
rel^ampagosemlatitudesmediasdoHemisferioNorte.
Dellera e Garbagnati, em 1982, onsideraram o
rel^ampago a aproximadamente 1km aima do ponto
deinid^enia nosolo. Analisaram-seapropaga~aodos
anaisiniialmente vertiaisderel^ampagosnegativose
oinioeapropaga~aodeanaisasendentespositivos
(desargasonetantes)apartirdeestruturaselevadas
nosolo. Usaramu{seum anelunipolar deargas para
modelo da nuvem, segmentos lineares de argas para
osanaisdesendenteseasendentes,eargaspontuais
ou lineares para as estruturas aterradas. Esse foi um
estudovoltadoasaplia~oesdeengenhariaeletria.
Kawasakieolegas,em1989,apliaramumaanalise
frataleimplementaramomodelodeDellerae
Garbag-nati, onsiderando uma erta tortuosidade e
rami-a~aoomoaraterstiasrepresentativasdoanaldo
rel^ampago. Esses trabalhos permitiram avaliar a
ex-posi~ao de estruturas loalizadas em regi~oes planas e
emondi~oesorograasmaisompliadas.
Takeutieolegas,em1993,apresentaramuma
abor-dagem empria diferente para alular o aminho do
rel^ampagonaatmosfera. N~aoseonsiderouanatureza
eletriadofen^omeno;poremuma naturezaestatstia.
Desenvolveu{se um tratamento estatstio em que o
aminhodorel^ampago,abaixo danuvem ateosolo, e
modeladoombasenaanalisedefotograas. Esse
tra-balhoanalisouaei^eniadeblindagensporestruturas
elevadas,omotorresmetalias.
Mendeseolegas,em1996, desenvolveramum
mo-delosimilar aomodelodeTakagi; poremonsiderando
ondi~oes mais realistas. Utilizaram{se esferas nitas
dearga para modelo danuvem euma ondutividade
eletriaexponenialmenteresenteomaalturana
at-mosfera. Esse trabalho mostrou que essa
ondutivi-dade, de aordo om os modelos padronizados de
at-mosfera,tambem ontrolaaoorr^enia de rel^ampagos
perenta-numeriosest~aoemonord^aniaomosvalores
experi-mentaisobtidosnoBrasil. Assim,essetrabalhoestende
os resultados do modelo de Takagi e olegas (inlui o
HemisferioSul)eexpliaoomportamentodas
desar-gasparalatitudesmaisbaixas. AFig.10apresentaum
esquemadasimula~aodolderesalonado.
Figura10. Esquemadesimula~aodolideresalonado.
Tais modelos, onsiderando-se suas bases teorias
e experimentais e levando-se em onta suas
ara-terstias distintas, apontam para a onveni^enia e a
viabilidadedesebusarmodeloseletrodin^amiosada
vezmaisrealistas. Alemdepermitirumamelhor
om-preens~aoientadofen^omeno,osmodelospoder~aoser
degrandeutilidadepratiaemtermosdeengenhariae
desegurana.
V.2Oaoplamentoeletrodin^amioda
at-mosfera
Aomunidade ientafoisurpreendida,pormeio
deevid^eniasirrefutaveis,omoaoplamentoativoda
troposfera om a media e alta atmosferas. Embora
desde 1886 existissem testemunhos, relatados em
re-vistasdemeteorologias,defen^omenosqueoorriamde
formaestranhanastempestadeseletrias,somente em
1989umgolpedesorteduranteotestedeuma^amera
sensvel a baixa luminosidade, que iria voar em um
foguete,oloouemdisuss~aoobalanorealdeenergia
entreasregi~oesdaatmosfera.
Cientistas daUniversidade de Minnesota, USA,
li-deradospeloGeofsioEspaialDr. JohnR.Winkler,
doumentaramumestranhobrilhooorrendoaimade
umulonimbus. Eraoiniodeumapesquisasobreum
fen^omenoquen~aopareiaserummerorel^ampago,mas
queestavaassoiadoastempestadeseletrias.
Atualmente,umvariadoonjuntodefen^omenos
lu-minosos transientes assoiados a rel^ampagos, ou, no
mnimo,astempestadeseletrias,foiidentiado. Ateo
momento,esseseventosest~aolassiadosem: sprites,
jatos azuis, elves, halos de sprites, trolls e surtos de
raiosgama. AFig.11apresenta,deformaesquematia,
exemplosdoseventosluminosos assoiadosas
tempes-Figura11. Exemplosdeeventosluminososassoiadosa
tempestadeseletrias.
V.2.1 Oseventos luminosos transientes
Sprites: OsSpritesouredspritess~aofen^omenos
lumi-nososquepodem seestenderde95km atemenos
que 30km de altitude. Analises indiam que
eles iniiam usualmente entre 70 e75km,
desen-volvendo, em ambas as dire~oes, veloidade de
10 7
m=s. Eles perdurampordezenas de
milis-segundos; embora os elementos mais brilhantes
duremapenas pouos milissegundos. Os sprites
quase sempreseguem rel^ampagos nuvem-solode
polaridade positiva, dentro de uma defasagem
temporal de menos que 1s a mais que 100ms.
Essefen^omeno tem oorrido tipiamente
assoi-ado om amplas tempestades eletrias,
espeial-mentenaquelas queapresentamuma substanial
regi~aodepreipita~aoestratiforme.
Elves: Oselvess~aoperebidosomoestruturas
quase-toroidais em expans~ao. Doumentou-se o seu
alargamentohorizontal etambemuma expans~ao
para baixo.
E um fen^omeno relativamente
bri-lhante (1000kR) e de dura~ao menor do que
500ms. Eles seguem por aproximadamente 300
ms om respeito a rel^ampagos nuvem-solo
in-tensos (orrente eletria > 100kA), a maioria
ompolaridadepositiva. A teoriapropostapara
seumeanismoeque os pulsos eletromagnetios
dosrel^ampagosinduzemumbrilhotransiente na
ionosferaentreasaltitudesde80e100km.
Halo de sprites: Oshalos de spritespareemserum
brilhodifuso naformade disoquepreedemos
sprites, duram em torno de um milissegundo e
lembram superialmente os elves. Apresentam
estruturas usualmente menores do que 100km e
propagam-separa baixo de 85 a70km. Os
Jatos azuis: Os jatos azuis s~ao jatos de luz que
emergem do topo de tempestades eletriamente
ativas. Propagam para ima om veloidades
de100km/s, atingindoaltitudesterminais de
40 km. Seu brilho estimado e da ordem de
1000 kR. Esses jatos n~ao pareem assoiar{se a
rel^ampagosnuvem-soloespeos;noentanto, a
atividadeeletriapareeessarporalguns
segun-dosaposaoorr^eniadeumjatoazul. Examina{
se a assoia~ao om tempestades que produzem
granizo.
Trolls: Os trolls lembram superialmente os jatos
azuis, embora laramente dominados por uma
emiss~aoavermelhada. Elespareemoorrerapos
umspriteintensoujasramia~oesestenderam{
se para baixo ate o topo das nuvens. Os trolls
exibem umaluminosa \abea" afrente deuma
\auda" de luminosa fraa e movem{se para
ima iniialmente a 150 km/s,
desaelerando-segradualmente,edesapareendoemtornode50
km.
Surtos de Raios Gama: Surtos de Raios gama t^em
sido observados no solo durante tempestades
eletrias. T^emsidoperebidos2tiposdeeventos.
Umdelesmostraumlentoaumentode radia~ao,
omfotonsdeenergiasate3MeV ,eduraporuma
horaoumaisantesdedeairlentamente. Aausa
sugeridas~aoosaerossoisradiativosnaspartulas
preipitantes na huva. Superposto a essa
ra-dia~ao gradual haum surto impulsivode fotons
de mais alta energia (ate 10MeV ), que perdura
porunspouosminutos.Sugere{sequeessesraios
gamas~aoprovenientesderadia~aodefrenagemde
eletronsdemaiorenergiaolidindoomosatomos
daatmosfera. Omeanismoseriaaaelera~aode
eletrons pelos fortes amposeletrios
estabelei-dosdurante astempestadeseletrias.
As investiga~oes experimentais t^em mostrado que
essesfen^omenospareemassoiadosomvariasespeies
de tempestades eletrias, produzidas em grandes
Sis-temasConvetivosdeMesoesalanasmediaslatitudes,
linhas de instabilidades assoiadas a tornados,
on-ve~oes tropiais profundas, ilones, e \winter snow
squalls".
V.3 Tenias de observa~ao e medi~ao
Atualmente, para a oleta de informa~oes
experi-mentaisdaatmosferaassoiadasasondi~oesdetempo,
disseminam{se metodologias e reursos para o
moni-toramento extensivo e intensivo da atividade eletria
atmosferia. Inumerasquest~oesrelativasas
metodolo-gias e tenias de dete~ao e de medi~ao de atividade
eletria na atmosfera baixa (. 150km) preisam ser
(omo por exemplo: as previs~oes de tempestades
se-veras).
Quanto aos sistemas de estudo das atividades
eletrias,podem-serelaionar:
Sistemas de dete~ao e rastreio de
rel^ampagos.
Esses sistemas produzem informa~oes de
loa-liza~ao, intensidade, polaridade das desargas
eletrias do tipo nuvem{solo. Atualmente
exis-temtambemformasdeseidentiardesargasdo
tipointernuvens eintranuvens. Essetipode
in-forma~aopode auxiliarna previs~ao aurtssimo
prazo das desargas nuvem{solo e de ondi~oes
severas.
Sistemasdeimageamentodefen^omenos
at-mosferios (nuvens, rel^ampagos, sprites, e
outros fen^omenosoptiostransientes).
Essessistemas s~aoompostosdeumonjuntode
^amerasCCDsonvenionaiseoutrode^ameras
CCDs de alta resolu~ao espaiale temporal (da
ordem de milissegundos). Este tipo de sistema
permiteavaliaroproessofsiodaforma~aodas
tempestadesdeuma formaontnua,desdeo
de-senvolvimento das nuvens umulonimbus ate o
seu estagio de dissipa~ao. Alem disso, esse tipo
de metodo permite estudar e analisar de uma
forma n~ao induzida as araterstiasfsias dos
rel^ampagos omo tortuosidade do anal,
multi-pliidade,intervaloentredesargas,entreoutras,
assoiadasapar^ametrosfsiosdaatmosfera.
Sistemas de monitoramento austio da
atividade eletria, emespeial do trov~ao.
Essessistemas possibilitamavaliarefeitos de
on-das de hoque e propaga~ao do som na amada
atmosferia,queest~aoassoiadosaospar^ametros
fsios,qumioseeletriosdaatmosferaloal.
Sistemas de monitoramento do ampo
eletrioatmosferio (AC/DC).
Essessistemas(detetoreseldmill,detetoresde
sferisedetetoressimilares)permitemmonitorar
ontinuamentepar^ametrosfsiosdaatmosfera
lo-al.
Sistemas de integra~ao das informa~oes
eletrias as demais informa~oes
at-mosferias.
Esses sistemas para integra~ao e proessamento
deinforma~oesomeamaserdisutidose
desen-volvidos.Opropositoen~aoapenaspermitir
Aresentam{se ainda outras tenologias re
em-aprimoradasreentes de monitoramentoom ousode
satelites. Possibilidades que v^em inorporar{se aos
radares tipo Doppler e polarimetrios, que permitem
analisesdeseveridadedotempo.
Ossistemasdedete~aoeloaliza~aoderel^ampagos
baseiam{seemalgunsprinpiossimples,mas
sostia-dos tenologiamente para a sua opera~ao otimizada.
Apresentam{sesuintamenteessasmetodologiasde
de-te~ao:
Metodode Loaliza~ao Direional
Esse tipo de sistema emprega dois ou mais
sen-sores que medem o^angulo azimutal entre o
sen-sor e a desarga eletria, na verdade, o sinal
deorrente da desarga de retorno. Esse ^angulo
e tipiamente determinado por meio do uso de
2aneis(loops)deantenasmagnetiasortogonais.
Quando 3 ou mais sensores s~ao utilizados, um
proedimento de otimiza~ao queminimiza os
er-rosno^angulopodeserempregado. Narealidade,
esse sistemabaseia{senoproedimentode
trian-gula~ao.
Metododo Tempode Chegada
Nometododotempodehegadadosinal
eletro-magnetio (time{of{arrival method), 3 ou mais
sensoresquemedemotempodehegadadosinal
dadesargaeletrias~aoempregados. Ossensores
medem a diferena de tempo que o sinal
eletro-magnetiolevaparahegarateosvariossensores
empregados. Comessemetodo,adaparde
sen-sores fornee uma urva hiperbolia que
desre-ve o onjunto de loaliza~oes que satisfazem a
diferenadetempomedida. Havendoduasdessas
urvasdeterminadaspor3oumaissensoresdesse
tipo,epossveldeterminaruma posi~ao apartir
dainterse~aodasmesmas. Algumaambiguidade
geometriaeventualpodeserresolvidaoma
uti-liza~aodepelomenos4sensores.
MetodoIMPACT
OmetododaPreis~aoAumentadaporTenologia
Combinada (Improved Auray from Combined
Tehnology-IMPACT)eaombina~aodometodo
do tempo de hegada e dometodo de loaliza~ao
direional. Nessenovoarranjooloalizador
dire-ional fornee a informa~ao azimutal e o tempo
absolutodehegadainformasobreoalane.
Metodode Interferometria
O metodo de interferometria baseia{se na
a-raterstiaeletromagnetiadosinal edetermina
pelaintensidadeefase,pormeiodeuma redede
sensores, aloaliza~ao espao-temporal da fonte
do sinal. Essemetodoeapazde disriminar as
desargasqueonetamosoloeasquen~ao
one-Reentemente, alguns outros metodos omearam
a ser implementados. Um e o sistema de
mapea-mento tridimensional de rel^ampagosbaseadoem GPS
(Global Positoning System). As medi~oes servem n~ao
apenas para estudar as eletria~oes das tempestades
mas tambem omo um valioso indiador da
estru-turae intensidadedas tempestades. Um outroeuma
redemundialde7magnet^ometrosdealtapreis~ao
sin-ronizadostemporalmente. Essesistemapermitira
tri-angular ada evento de rel^ampago no globoterrestre,
omomdemonitoraraevolu~aotemporaleespaial
daatividadeglobalderel^ampagos.
VI Conlus~ao
A Eletrodin^amia Planetaria onstitui{se em uma
area interdisiplinar de grande interesse teorio e
pratio. Odesenvolvimentodessas pesquisas resultam
em multiplos benefios para a soiedade brasileira.
Alguns a urto prazo, omo o desenvolvimento de
metodologias avanadas e tenologiasde ponta, e
ou-tros de mais longa matura~ao, omo aforma~ao
mul-tidisiplinar de prossionais de diversas areas. Este
desenvolvimento requer (a)o engajamentodos
profes-sores, dos varios nveis de ensino, na administra~ao
ompetente deumonteudoientoamplo,(b)a
in-forma~aodospesquisadoresdaimport^aniae
multipli-idadedeenfoquesdessapesquisa,e() aforma~aode
novosestudantes omaapaidadede atuarem areas
interdisiplinares (integrando potenialmente as areas
de fsia, meteorologia, matematia, omputa~ao,
en-genharia,qumiaebiologia).
Agradeimentos
Osautores agradeema FAPESP osuporte
nan-eiro dadoaspesquisas doProjeto Via-Lux(FAPESP
1998/3860-9).
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