Descargas atmosféricas são descargas elétricas de grande extensão (alguns quilômetros) e de grande intensidade (picos de intensidade de corrente acima de um quiloàmpere), que ocorrem devido ao acúmulo de cargas elétricas em regiões localizadas da atmosfera, em geral dentro de tempestades. A descarga inicia quando o campo elétrico produzido por estas cargas excede a capacidade isolante, também conhecida como rigidez dielétrica, do ar em um dado local na atmosfera, que pode ser dentro da nuvem ou próximo ao solo. Quebrada a rigidez, tem início um rápido movimento de elétrons de uma região de cargas negativas para uma região de cargas positivas. Existem diversos tipos de descargas, classificadas em função do local onde se originam e do local onde terminam.
Como Ocorrem
Descargas atmosféricas podem ocorrer da nuvem para o solo, do solo para a nuvem, dentro da nuvem, da nuvem para um ponto qualquer na atmosfera, denominados descargas no ar, ou ainda entre nuvens.
De todos os tipos de descargas, as intra-nuvem são as mais freqüentes, em parte devido ao fato de a capacidade isolante do ar diminuir com a altura em função da diminuição da densidade do ar, em parte devido às regiões de cargas opostas dentro da nuvem estarem mais próximas que no caso dos outros relâmpagos. Globalmente, elas representam cerca de 70% do número total de descargas. Este percentual varia com a latitude geográfica, sendo em torno de 80-90% em regiões próximas ao equador geográfico e em torno de 50-60% em regiões de médias latitudes.
Descargas Nuvem-Solo
As descargas nuvem-solo, também denominados raios, são as mais estudadas devido ao seu caráter destrutivo. Elas podem ser divididas em dois tipos ou polaridades, definidas em função do sinal da carga efetiva transferida da nuvem ao solo: negativas e positivas.
Os raios negativos, globalmente cerca de 90% dos raios, transferem cargas negativas (elétrons) de uma região carregada negativamente dentro da nuvem para o solo. Os raios positivos, cerca de 10%, transferem cargas positivas de uma região carregada positivamente dentro da nuvem para o solo (na realidade, elétrons são transportados do solo para a nuvem).
Os raios duram em média em torno de um quarto de segundo, embora valores variando desde um décimo de segundo a dois segundos têm sido registrados. Durante este período, percorrem na atmosfera trajetórias com comprimentos desde alguns quilômetros até algumas dezenas de quilômetros.
A corrente elétrica, por sua vez, sofre grandes variações desde algumas centenas de àmperes até centenas de quiloàmperes. A corrente flui em um canal com um diâmetro de uns poucos centímetros, denominado canal do relâmpago, onde a temperatura atinge valores máximos tão elevados quanto algumas dezenas de milhares de graus e a pressão valores de dezenas de atmosferas.
Embora o raio possa parecer para o olho humano uma descarga contínua, na verdade em geral ele é formado de múltiplas descargas, denominadas descargas de retorno, que se sucedem em intervalos de tempo muito curtos. Ao número destas descargas, dá-se o nome de multiplicidade do raio. Durante o intervalo entre as descargas, variações lentas e rápidas de corrente podem ocorrer.
Raios de Polaridade Negativa
Um raio negativo é formado por diversas etapas. Ele inicia com fracas descargas na região de cargas negativas dentro da nuvem, em geral em torno de 5 km, que se deslocam em direção ao centro inferior de cargas positivas ao longo de um período de cerca de 10 millisegundos (ms) denominado período de quebra de rigidez preliminar.
Ao final do processo de quebra de rigidez, uma fraca descarga luminosa, geralmente não visível, denominada líder escalonado, se propaga para fora da nuvem em direção ao solo com uma velocidade em torno de 400.000 km/h ao longo do canal de relâmpago. Por transportar cargas negativas, o líder escalonado é dito ser negativo.
Líder Escalonado
O líder escalonado segue um caminho tortuoso e em etapas, cada uma delas percorrendo de 30- 100 m e com duração em torno de um microsegundo, em busca do caminho mais fácil para a formação do canal. Ao final de cada etapa, há uma pausa de cerca de 50 microsegundos. A maior parte da luminosidade é produzida durante as etapas de um m s, praticamente não havendo luminosidade durante as pausas.
Ao todo, o líder escalonado transporta dez ou mais coulombs de carga e aproxima-se do solo em média em 20 ms, dependendo sobre a tortuosidade de seu caminho. A corrente média do líder escalonado é de algumas centenas de àmperes, com pulsos de ao menos um quiloàmpere (kA) correspondentes a cada etapa. Geralmente o líder escalonado ramifica-se ao longo de vários caminhos, embora na grande maioria das vezes um só ramo atinja o solo.
Quando o líder escalonado aproxima-se do solo a uma distância de algumas dezenas a pouco mais de uma centena de metros, as cargas elétricas no canal produzem um campo elétrico intenso entre a extremidade do líder e o solo, correspondente a um potencial elétrico da ordem de 100 milhões de volts. Este campo causa a quebra de rigidez do ar em um ou mais pontos no solo fazendo com que um ou mais líderes ascendentes positivos, denominadoslíderes conectantes, saiam do solo propagando-se de forma similar ao líder escalonado. As poucas medidas da velocidade de líderes conectantes indicam valores similares a dos líderes escalonados. Em cerca de 30% dos casos, mais de um líder surge a partir de diferentes pontos no solo.
Descarga de Retorno
No instante que um líder conectante encontra o líder escalonado, as cargas armazenadas no canal de líder escalonado começam a mover-se em direção ao solo na forma de uma intensa descarga acompanhada de um intenso clarão que propaga-se para cima ao longo do canal com uma velocidade de cerca de 40.000 km/h, cerca de um terço da velocidade da luz, iluminando o canal e todas as ramificações. A velocidade do clarão é máxima próxima do solo, diminuindo em até 50% próximo à base da nuvem. Esta descarga, denominada de descarga de retorno, dura cerca de 100 microsegundos e produz a maioria da luz que vemos. As cargas depositadas no canal, bem como aquelas ao redor e no topo do canal movem-se para baixo, produzindo no ponto de contato do líder conectante com o solo (denominado base do canal) um pico de corrente médio de cerca de 30 kA, com variações desde uns poucos quiloàmperes até centenas de quiloàmperes. Valores superiores a 200 kA correspondem a menos de 0,1% dos casos. Até o presente, os máximos valores de corrente de raios negativos já registrados no solo são em torno de 280 kA.
Em geral, a corrente da descarga de retorno atinge seu pico em cerca de 10 microsegundos e decai a metade deste valor em cerca de 100 microsegundos, perdurando em média 200 a 400 ms. A corrente no início aumenta lentamente, correspondendo ao período que antecede ao encontro da descarga conectante com o líder escalonado, passando então a aumentar mais rapidamente, apresentando uma máxima variação pouco antes de atingir o pico. Após atingir o pico, a corrente diminui de forma mais lenta indicando que menos carga é depositada nas regiões mais altas do canal durante o movimento descendente do líder escalonado. A carga negativa média transferida ao solo durante uma descarga de retorno é ao redor de dez coulombs.
Se após a descarga de retorno o raio terminar, ele é denominado um raio simples. Cerca de 20% dos raios negativos são simples, embora este valor possa variar grandemente de uma tempestade para outra. Na maioria dos casos, contudo, após uma pausa de um a 500 ms (valores médios em torno de 40 a 90 ms) uma nova descarga de retorno ocorre. Esta nova descarga é denominada descarga de retorno subsequente. Para que ela ocorra, entretanto, é necessário que outras cargas dentro da nuvem sejam transportadas para a região onde se iniciou o líder escalonado. Neste transporte, descargas denominadas descargas K ocorrem dentro da nuvem.
Líder Contínuo
Quando as novas cargas transportadas dentro da nuvem atingem a região do canal formado pela primeira descarga de retorno, um novo líder, denominado líder contínuo, ocorre. Este líder irá abrir o caminho para a descarga de retorno subsequente. Diferentemente do líder escalonado, o líder contínuo propaga-se como um segmento de corrente com um comprimento entre 10 e 100 m, ao longo do canal já ionizado pelo líder escalonado, de uma forma contínua e sem apresentar as ramificações típicas do líder escalonado. A duração do líder contínuo é em torno de um millisegundo e a velocidade média é em geral bem maior do que a do líder escalonado, com valores em torno de 40.000 km/h, devido a já existência do canal. A corrente no canal é da ordem de um quiloàmpere e a carga transportada é da ordem de um coulomb. Todavia, em muitos casos o líder contínuo pode desviar-se ao longo do trajeto seguindo um novo caminho, devido ao decaimento do canal inicial ou devido a fortes ventos, passando a apresentar um comportamento similar a um líder escalonado, sendo denominado líder contínuo-escalonado. Isto ocorre principalmente quando o tempo após uma descarga de retorno é maior do que 100 ms. Nestes casos, a velocidade do líder tende a ser menor e a nova descarga de retorno irá ocorrer a partir de um líder conectante proveniente de um ponto diferente no solo. Raios deste tipo são conhecidos como raios bifurcados. Evidências indicam que cerca de 30-50% dos raios negativos são bifurcados. Em poucos casos, o líder contínuo pode subitamente interromper seu trajeto na atmosfera, não produzindo uma descarga de retorno subsequente.
Quando o líder contínuo aproxima-se alguns metros do solo, após cerca de 50 microsegundos de seu início, surge novamente um líder conectante (neste caso de apenas alguns metros de extensão) e tem-se então a descarga de retorno subsequente. A velocidade da descarga de retorno subsequente tende a ser levemente maior do que a velocidade da primeira descarga de retorno. Os pulsos de radiação gerados pelo líder contínuo possuem máxima intensidade na faixa de centenas de megahertz.
Raios Múltiplos
Raios com diversas descargas de retorno subsequentes são denominados raios múltiplos. O pico de corrente das descargas de retorno subsequentes tende a ser menor do que a intensidade da primeira descarga de retorno, com valores típicos em torno de 10 kA. A corrente de descargas de retorno subsequentes tende também a atingir o pico mais rapidamente, em torno de 1 microsegundo, devido ao menor comprimento da descarga conectante e a durar por um período menor, em torno de 50 microsegundos. Os pulsos de radiação associados às descargas de retorno subsequentes, por sua vez, tendem a ser similar aquele da primeira descarga de retorno, apenas de menor intensidade. Em média, um raio negativo possui de 3 a 6 descargas de retorno, sendo que em cerca de 1% dos casos 6 ou mais descargas ocorrem. Há registros de mais de 26 descargas de retorno em um único raio negativo.
Raios de Polaridade Positiva
Os raios positivos seguem de um modo geral as mesmas etapas descritas para os negativos, porém com algumas diferenças. Em geral, iniciam-se a partir de um líder com uma luminosidade mais fraca do que a de um líder escalonado de um raio negativo, que se propaga a partir de uma região de cargas positivas dentro da nuvem, não apresentando etapas e sim uma luminosidade contínua, porém com variações periódicas de intensidade. Na maior parte das vezes, costumam apresentar somente uma descarga de retorno, cuja intensidade média é levemente maior do que a dos negativos.
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