SIMPÓSIO INTERNACIONAL DE CIÊNCIAS INTEGRADAS
DA UNAERP CAMPUS GUARUJÁ
Estudo do comportamento elétrico das tempestades através
de sensores ópticos
Bruno Hernandes Azenha Pilon
Discente do Curso de Graduação em Engenharia Elétrica Centro Universitário da FEI – São Bernardo do Campo
bhernandes@gmail.com
Este simpósio tem o apoio da Fundação Fernando Eduardo Lee
Resumo: O presente artigo descreve o processo de obtenção das imagens geradas através de sensores ópticos, com o intuito de analisar o comportamento elétrico das tempestades severas. Os dados dos sensores ópticos são utilizados em conjunto com os dados dos sensores elétricos para caracterizar e qualificar as tempestades severas e suas descargas atmosféricas. Os resultados obtidos na campanha de coleta de dados, que compreendeu o período de chuvas entre novembro de 2006 e abril de 2007, revelaram que tempestades que apresentaram alta densidade de descargas atmosféricas nuvem-solo com corrente contínua de longa duração estavam associadas com chuvas de alto volume de água e enchentes em toda Região Metropolitana de São Paulo.
Palavras-chave: Tempestades, Descargas Atmosféricas, Sensores Ópticos. 1. Introdução
Analisar o comportamento elétrico das tempestades severas permite identificar e caracterizar as descargas atmosféricas quanto ao seu tipo, duração, multiplicidade e ramificação. As descargas atmosféricas têm sua origem em nuvens convectivas denominadas “Nuvens de Tempestade” ou
Cumulonimbus (figura 1). O desenvolvimento de uma nuvem cumulonimbus
está associado à presença de ar quente, úmido e instável e traz consigo as tempestades locais com grande incidência de descargas atmosféricas, trovões, ventos fortes, súbitas variações de temperatura e, ocasionalmente, podem se transformar em tornados (Vianello e Alves, 1991).
Figura1: Nuvem Cumulonimbus em estágio maduro Fonte: NOAA Photo Library, 2007.
As descargas atmosféricas podem ocorrer entre nuvens, entre a nuvem e o solo, entre a nuvem e a ionosfera, dentro da nuvem e da nuvem para o ar (figura 2).
Figura 2: Exemplos de descarga (a) nuvem-solo; (b) entre nuvens; (c) solo-nuvem; (d) para o ar; (e) intranuvem; (f) entre nuvem e a ionosfera.
Dentre estes tipos, as descargas que ocorrem dentro da nuvem são as mais comuns, representando cerca de 70% do total (Chalmers, 1967). Contudo, são os relâmpagos entre a nuvem e o solo que apresentam maior interesse prático devido a extensão dos danos que podem causar. Estes relâmpagos apresentam, em sua maioria polaridade negativa e múltiplas descargas (Chalmers, 1967). Uma descarga deste tipo inicia-se com a quebra da rigidez dielétrica dentro da nuvem formando o líder escalonado (stepped
leader), próximo a base da nuvem. Essa descarga líder, se desloca em
direção ao solo em segmentos retos, com dezenas de metros de comprimento, em intervalos de tempo de aproximadamente 1µs. Outras cargas negativas movimentam-se em direção ao solo, transportadas pelo canal ionizado criado pelo líder escalonado, com baixa luminosidade. Durante este movimento, estas cargas podem ser atraídas para fora do canal estabelecido pelo líder escalonado devido à influência de cargas presentes na atmosfera ao redor do canal, formando-se assim as ramificações (Pinto Jr. e Pinto, 2000).
Como conseqüência da aproximação do líder escalonado do solo, há a formação de um intenso campo elétrico entre a extremidade do líder escalonado e o solo. Este campo causa a quebra da rigidez dielétrica do ar próximo ao solo fazendo com que uma ou mais descargas positivas ascendentes, denominadas líderes conectantes (upward connecting leaders) saiam do solo. Quando o líder conectante encontra o líder escalonado é formada a descarga principal, denominada descarga de retorno (return
stroke). Com alta luminosidade e sentido ascendente, as descargas de
retorno iluminam todo o canal do relâmpago, incluindo as ramificações, e possuem picos de corrente de valor bastante elevado. Caso a transferência de cargas entre a nuvem e o solo não ocorra de forma completa, outras descargas podem acontecer dando origem a um relâmpago com descargas múltiplas (Chalmers, 1967).
Um estudo feito nos Estados Unidos e na França mostra que cerca de 100 pessoas são atingidas anualmente por descargas atmosféricas deste tipo, sendo que 10% destas vítimas são fatais (Holle e Cooper, 2000;
Gourbierre, 1999). No Brasil, ainda não temos esta estatística (Gin et al., 2002).
As tempestades severas e nuvens carregadas eletricamente são também os principais geradores que mantém uma diferença de potencial existente entre a superfície terrestre e a ionosfera, como se ambas as superfícies formassem as esferas condutoras de um capacitor esférico separados pela atmosfera, um dielétrico de baixa condutividade. Este conceito, chamado de Circuito Elétrico Atmosférico Global, foi proposto por Charles Wilson em 1920 (Markson, 2007). Acredita-se que o Brasil e a África sejam os principais mantenedores do circuito elétrico atmosférico global, pois a máxima variação diurna do campo elétrico entre a superfície terrestre e a ionosfera coincide com a máxima atividade de tempestades ocorridas no Brasil e na África (Williams, 2001).
2. Materiais
São utilizados neste projeto um conjunto de câmeras de vídeo CCD (charged-coupled device), que geram imagens com ajustes pré-definidos de ganho (Gin et al., 2005). Para a gravação e análise de dados são utilizados computadores dotados de placas de captura, que possibilitam a gravação e edição das imagens em tempo real. São também utilizados neste projeto módulos GPS (global positioning system), cuja principal função é sincronizar os relógios dos computadores.
Foram instalados no topo do laboratório de eletricidade atmosférica do Centro Universitário da FEI três sensores ópticos, privilegiando o monitoramento da região nordeste da Grande São Paulo. Esta região inclui o município de São Caetano do Sul, que detém o recorde de relâmpagos registrados no país de aproximadamente 12 raios/km² no ano de 2006 (Romero, 2007).
Além destes três sensores, foi instalado um quarto sensor óptico auxiliar no topo do reservatório de água do Centro Universitário da FEI. Com uma altura diferenciada dos demais (cerca de trinta metros mais alto), este sensor permite a visualização das descargas atmosféricas por completo, desde a formação na base da nuvem até o ponto de contato no solo. Este sensor também auxilia, em muitos casos, na estimativa de distância entre as descargas atmosféricas e o ponto de observação (figura 3).
(a) (b)
Figura 3: Descarga de retorno registrada pelo (a) sensor óptico instalado no topo do laboratório de eletricidade atmosférica e (b) sensor óptico auxiliar instalado no topo do reservatório de água da universidade.
3. Metodologia
Foi desenvolvida uma campanha de coleta de dados, que compreendeu o período de chuvas entre novembro de 2006 e abril de 2007. Durante esta campanha, os computadores gravaram os dados dos sensores ópticos e dos outros sensores elétricos do projeto ininterruptamente.
A gravação dos dados foi sincronizada com módulos GPS, que garantiram uma precisão da ordem de 150ms entre os relógios dos diversos computadores (figura 4).
(a) (b)
Figura 4: Descarga de retorno ocorrida em 31/03/2007 capturada pela (a) câmera instalada no topo do laboratório de eletricidade atmosférica; (b) câmera instalada no topo do reservatório de água da universidade.
A aquisição das imagens foi feita de forma entrelaçada, uma forma de captura que permite obter imagens em intervalos de tempo de aproximadamente 16ms, contra os 33ms que as câmeras comerciais proporcionam. Porém, as imagens entrelaçadas apresentam, num único quadro, duas imagens temporalmente distintas (figura 5).
(a) (b)
Figura 5: (a) Descarga entre nuvens capturada de forma entrelaçada; (b) Ampliação da região destacada em verde.
Com o objetivo de criar um único quadro de vídeo para cada imagem temporalmente distinta, foi desenvolvida uma técnica de desentrelaçamento
por software que separa os campos de vídeo temporalmente distintos em quadros de vídeo mantendo a qualidade da imagem (figura 6).
Figura 6: Separação dos campos de vídeo temporalmente distintos em quadros de vídeo.
Após a separação dos campos de vídeo, as imagens dos sensores ópticos são analisadas juntamente com os dados dos outros sensores elétricos do projeto, o que permite caracterizar cada descarga atmosférica pelo seu tipo, multiplicidade, duração e ramificação, bem como criar um perfil elétrico da tempestade como um todo.
Tabela 1: Exemplo de análise de dados dos 6 primeiros relâmpagos do dia 25/11/2006
HORÁRIO FEI1 FEI2 FEI3 FEI5 TIPO DETALHES
Duração total: 172 ms 1 Stroke 21:29:19.645 XX NS + N-Ar Sem ramificação Duração total: 233 ms 1 Stroke Sem ramificação 21:34:18.848 XX X NS Corrente contínua: 233 ms Duração total: 469ms 1 Stroke Sem ramificação 21:35:55.238 XX X NS Corrente contínua: 469ms 21:37:09.426 XX IN Duração total: 62ms
Duração total: Menos de 33ms (um único quadro) 1 Stroke 21:39:01.598 XX NS Sem ramificação Duração total: 1031ms 5 Strokes Com ramificação
O primeiro stroke se conecta em um ponto diferente dos demais
Corrente contínua do segundo stroke: 156ms Corrente contínua do terceiro stroke: 78ms
21:43:54.098 XX NS
4. Discussão dos resultados
Durante a campanha, foram observadas diversas ocorrências de tempestades severas na região monitorada pelos sensores ópticos. As imagens obtidas, quando associadas com os dados dos sensores elétricos, permitem uma qualificação completa dos relâmpagos e constituem um sistema de detecção e monitoramento de tempestades e descargas atmosféricas de baixo custo e com tecnologia totalmente nacional.
As tempestades que apresentaram descargas atmosféricas nuvem-solo com corrente contínua de longa duração estavam associadas a altas com precipitações em toda Região Metropolitana de São Paulo (Gin et al., 2007).
Esforços futuros serão concentrados na expansão da área de cobertura dos sensores ópticos e também em uma melhoria na precisão de tempo das gravações, com o emprego de câmeras de alta velocidade.
5. Conclusão
No decorrer da campanha, a importância do estudo das tempestades severas e das descargas atmosféricas no Brasil ficou bastante clara. Tendo em vista a posição da Região Metropolitana de São Paulo como a campeã nacional em densidade de descargas atmosféricas, o papel do Brasil como um dos principais mantenedores do circuito elétrico atmosférico global, a magnitude dos estragos causados pelas tempestades nos últimos anos e as mudanças climáticas em curso devido ao aquecimento global, o investimento em projetos de monitoramento e detecção de tempestades severas e descargas atmosféricas de baixo custo é estratégico e de fundamental importância para o país.
Agradecimentos
O autor agradece ao Centro Universitário da FEI pelo financiamento do Projeto Relâmpago, a Profa. Dra. Rosangela Barreto Biasi Gin e ao Prof. Msc. Mário Kawano pela orientação deste trabalho.
Referências
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