Cientistas explicam o que faz o raio subir tão rápido rumo às nuvens

Físicos da New Mexico Tech, nos Estados Unidos, desenvolveram um modelo que explica a corrente de retorno do raio, a fase mais destrutiva do fenômeno. O estudo saiu na revista Reviews of Geophysics.

A corrente de retorno é o momento mais intenso de um raio. Ela é um pulso elétrico que sobe pelo canal ionizado entre a nuvem e o solo a uma fração considerável da velocidade da luz, carregando dezenas de milhares de ampères em apenas dezenas de microssegundos. Essa descarga produz o clarão, o estrondo do trovão e o pulso de rádio que as redes de detecção de raios usam para localizar tempestades ao redor do mundo.

Caitano da Silva, do New Mexico Institute of Mining and Technology, e sua equipe descrevem no artigo como adaptaram as Equações do Telégrafo. Essa ferramenta matemática modela sinais elétricos em cabos de transmissão de energia e, no estudo, passa a reproduzir o comportamento do raio a partir de princípios físicos básicos.

Por que essa corrente importa

A corrente de retorno causa a maior parte dos efeitos práticos do raio. Segundo os autores, ela gera bilhões de dólares em danos anuais a linhas de transmissão de energia e redes de comunicação, além de figurar entre as principais causas de incêndios florestais.

O fenômeno também é a principal fonte natural de óxidos de nitrogênio na atmosfera, compostos que alteram a química atmosférica em escala regional e global. O mesmo pulso de rádio que a corrente emite alimenta as redes de detecção de raios usadas em previsão do tempo e prevenção de acidentes.

Dois cilindros para explicar o raio

O grupo de pesquisadores representa o canal do raio como dois cilindros concêntricos. Um núcleo fino conduz a corrente elétrica, enquanto uma camada mais larga ao redor armazena a carga elétrica associada a ela.

Os cientistas resolvem essa estrutura com as Equações do Telégrafo e chegam à subida rápida da corrente, ditada pela velocidade com que as pontas do canal se conectam e se aquecem. A resistência elétrica do canal explica, na sequência, a queda mais lenta da corrente.

A lógica lembra a fiação elétrica de uma casa, em que a mesma conta usada para prever queda de energia num cabo também descreve o comportamento de um raio. O modelo ainda explica por que a onda de corrente viaja a uma fração da velocidade da luz, por que ela perde força ao subir e por que o pulso se espalha ao longo do trajeto, tudo a partir de um conjunto pequeno de parâmetros físicos, sem depender de curvas matemáticas pressupostas.

Vantagens e limites do método

O modelo roda ordens de grandeza mais rápido que simulações eletromagnéticas completas, mas ainda produz soluções matemáticas exatas em vários casos. Ele também explica por que os chamados modelos de engenharia, usados há décadas pela indústria, assumem as formas matemáticas que assumem.

Por essa clareza, o modelo virou ferramenta de ensino. Ele é a base da disciplina de pós-graduação Física do Raio, na New Mexico Tech, e permite que estudantes cheguem às características do raio a partir de princípios físicos, sem decorar fórmulas prontas.

A limitação principal está numa simplificação matemática. O modelo trata os campos eletromagnéticos como puramente transversais ao canal, o que não vale para canais reais, tortuosos e ramificados. A camada externa que armazena carga elétrica também é simplificada, e o topo do canal exige cuidado extra para evitar reflexos artificiais de onda no cálculo.

O que ainda falta descobrir

Os autores apontam duas lacunas centrais na pesquisa. A primeira é estender o modelo, pensado para um canal único e reto, para a geometria tridimensional e ramificada de um raio real, incluindo a sequência de descargas de retorno subsequentes e outros processos, como componentes M e correntes contínuas.

A segunda lacuna é incorporar ao modelo a dinâmica real da camada externa de carga. Hoje, o modelo trata essa carga como se ela se espalhasse instantaneamente por um raio fixo, quando na prática esse processo leva um tempo finito para acontecer. Segundo os pesquisadores, resolver os dois problemas deve melhorar as previsões sobre os efeitos do raio em infraestrutura, incêndios florestais e química atmosférica.