PROJETO INSPE

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CENTRO DE CIÊNCIAS FÍSICAS E MATEMÁTICA – CFM 
DEPARTAMENTO DE FÍSICA 
 
 
 
Disciplina: Instrumentação de Ensino de Física B – FSC (5118) 
Professor: Dr. Jose de Pinho Alves Filho 
Curso: Física Licenciatura 
Acadêmicas: Tairine Favretto; Camila Gasparini; Karine Rita Bresolin. 
Tema do Projeto: Física das Tempestades 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
BRASIL O PAÍS DOS RAIOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Florianópolis 
2013 
 
 
Sumário 
1. Introdução........................................................................................ 1 
2. Objetivos......................................................................................... 2 
2.1. Objetivo Geral......................................................................... 2 
2.2. Objetivos Específicos............................................................. 2 
3. Exploração do Tema....................................................................... 3 
3.1. Abertura do Tema................................................................... 3 
3.2. Redução do Tema................................................................... 5 
3.3. Definição do Recorte do Tema................................................. 7 
4. Árvore dos Conceitos....................................................................... 8 
5. Atmosfera...................................................................................... 10 
5.1. Composição da Atmosfera..................................................... 10 
5.2. O Ciclo d’ Água..................................................................... 12 
5.3. Aquecimento da Atmosfera................................................... 12 
5.4. Variações Sazonais do Aquecimento Atmosférico............... 12 
5.5. A estrutura da Atmosfera........................................................ 13 
6. Nuvens............................................................................................ 14 
6.1. Classificação das Nuvens........................................................ 15 
6.2. Identificação das Nuvens....................................................... 16 
6.3. Formação das Nuvens........................................................... 19 
6.4. Formação das Nuvens Cumulonimbus ................................ 20 
6.5. A eletrização das Nuvens..................................................... 24 
6.5.1. Teoria de Carregamento por Convecção...................... 24 
6.5.2. Teoria de Carregamento por Precipitação.................... 25 
6.5.3. Características Típicas da Eletrização das Nuvens....... 27 
7. A Eletricidade na Atmosfera......................................................... 29 
8. Raios............................................................................................... 35 
8.1. Brasil o país dos raios............................................................ 35 
8.2. Raios e a origem da vida........................................................ 36 
 
 
8.3. Quem começou a tratar os raios como fenômenos elétricos?.. 36 
8.4. O que sabemos hoje em dia?.................................................. 37 
9. Modelização.................................................................................... 39 
10. Considerações Finais..................................................................... 46 
11. Referências Bibliográficas............................................................. 47 
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1. Introdução 
 
A construção do conhecimento científico pelos alunos nem sempre 
se dá de forma fácil e descomplicada, entre outros motivos, porque os 
mesmos trazem concepções alternativas que dificultam o entendimento do 
conhecimento científico. O professor fica responsável para que haja a 
transformação destas concepções e do senso comum em conhecimento 
científico. Ou seja, coisas que antes do ensino são observadas apenas por 
curiosidade passam a ser vistas de uma “nova” forma, com alguma 
propriedade física. 
Porém, o conhecimento físico não é de maneira alguma absoluto, por 
vezes acontece do que é considerado válido pelos cientistas deixar de sê-lo 
em alguns anos. Vemos então que a forma com que enxergamos a realidade 
é modificada constantemente e os alunos devem ficar cientes disso. 
Para explicar e conceituar o que acontece ao nosso redor é necessário uma 
conexão entre os conceitos físicos e a realidade, e para isso utiliza-se 
modelos. Mas, contrariando o observado nos livros didáticos, que usam 
modelos já prontos, pode-se construir um modelo de forma que a realidade 
seja vista de forma simplificada e assim, o tratamento matemático dado a 
esta também o seja. Assim, os fenômenos físicos serão entendidos mais 
facilmente pelos alunos, e mesmo pelos colegas físicos que se dispuserem a 
ler este trabalho. 
Nele é apresentado o tema “Física das Tempestades”, utilizando 
modelagem para a exploração e conceituação desse, com o intuito 
mencionado acima. 
 
 
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2. Objetivos 
 
2.1. Objetivo Geral 
 
Este trabalho tem como objetivo geral a instrumentação de 
professores de Física do Ensino Médio, com uma visão construtivista de 
modelagem no processo educacional, através da abordagem do tema 
“Física das Tempestades”. 
 
2.2. Objetivos Específicos 
 
Juntamente ao que já fora mencionado, também é objetivo do 
trabalho: 
 Dar ferramentas aos professores para que possam utilizar de 
conceitos e modelos que expliquem o tema proposto. 
 Elaboração de um material completo tal que sofrendo Transposição 
Didática possa ser futuramente tratado em aulas do Ensino Médio. 
 Aviventar o uso de modelos no ensino de Física. 
 Favorecer as discussões a cerca do tema proposto, embasado nos 
conceitos físicos, para que ele possa ser tratado em um âmbito mais geral 
de ciência, tecnologia e sociedade. 
 
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3. Exploração do Tema 
 
3.1. Abertura do Tema 
Há muitos anos, vários fenômenos naturais vêm instigando o ser 
humano a desvendar seus mistérios, entre esses fenômenos um dos mais 
interessantes e também mais assustadores são as tempestades. Em nosso 
Universo acontecem constantemente diversos tipos de tempestades, as são 
principais destacadas abaixo: 
 
Tempestade Solar: Diversas reações ocorrem 
no núcleo do Sol, fato que proporciona a 
produção de grande quantidade de energia via 
fusão nuclear. Durante esse processo, ocorre a 
liberação de prótons e elétrons, que são 
atraídos e acumulados em outros campos 
magnéticos. A grande concentração de prótons e elétrons pode desencadear 
uma tempestade solar, caracterizada pela liberação, através de uma grande 
explosão, dessas partículas superaquecidas. Com isso, a radiação solar 
atinge o campo magnético e a atmosfera terrestre. As consequências desse 
fenômeno podem ser desastrosas, como destruição de satélites artificiais, 
interferência nos serviços de telefonia, queda de energia elétrica, causa de 
danos em objetos eletroeletrônicos, etc. A tempestade solar também 
proporciona belos espetáculos luminosos: a aurora boreal e aurora austral. 
 
Tempestade de Neve: São cristais de gelo 
que se formam nas nuvens em que a 
temperatura está entre -20°C e -40°C. Para 
formar flocos de neve, os cristais se juntam 
4 
 
enquanto caem e se tornam úmidos; então, congelam novamente. Só 
chegarão ao solo como neve se o ar estiver gelado em todo o percurso 
atmosfera abaixo. Tempestades de neve são tempestades onde há grandes 
quantidades de queda de neve. A neve nesta tempestade é menos densa e 
pode se acumular muito facilmente. Quandoa tempestade de neve é 
massiva e generalizada, além de outras condições meteorológicas, é 
chamada de nevasca. 
 
Tempestade de Granizo: Forma-se 
quando gotas de água, levadas pelas 
fortes correntes ascendentes na 
atmosfera, congelam, caem pela 
nuvem e são novamente capturadas na 
corrente ascendente. Uma camada adicional de água congela a volta da 
bola de gelo de cada vez que esta faz uma viagem ascendente pela nuvem. 
Eventualmente, o granizo torna-se pesado demais para ser de novo levado 
na ascensão, por isso cai para o chão. Grandes pedras de granizo, quando 
cortadas, mostram múltiplas camadas, indicando o número de viagens 
verticais que a pedra fez quando foi apanhada na célula convectiva. O 
granizo geralmente cai em maior velocidade à medida que crescem em 
tamanho, embora fatores complicadores, como a fusão, o atrito com o ar, o 
vento e interação com a chuva e outras pedras de possam retardar sua 
descida pela atmosfera da Terra. 
 
Tempestade de Raios: Um raio, 
relâmpago ou corisco é talvez a mais 
violenta manifestação da natureza. 
Numa fração de segundo, um raio pode 
produzir uma carga de energia cujos parâmetros chegam a atingir valores 
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tão altos quanto: 125 milhões de volts / 200 mil ampères / 25 mil graus 
centígrados. Embora nem sempre sejam alcançados tais valores, mesmo um 
raio menos potente ainda tem energia suficiente para matar, ferir, incendiar, 
quebrar estruturas, derrubar árvores e abrir buracos ou valas no chão. Ao 
redor da Terra caem cerca de 100 raios por segundo. No Brasil, nas regiões 
Sudeste e Sul, a incidência é de 25 milhões de raios anualmente, sendo a 
maior quantidade, no período de dezembro a março, que corresponde à 
época das chuvas de verão. 
Além dos itens citados acima, muitos outros são possíveis de serem 
adotados dentro do tema proposto, por exemplo, furacões, tornados, etc. O 
direcionamento destas “aberturas” tem forte dependência das experiências 
prévias, dos conhecimentos, das percepções e dos interesses dos 
envolvidos, aspectos estes que não podem ser negligenciados. 
 
3.2. Redução do Tema 
A construção de um caminho, dentro de uma variada gama de 
opções, que proporcione uma satisfatória evolução de um grupo 
heterogêneo de estudantes não é trivial. O professor, na condição de 
mediador deste trabalho coletivo, precisa compreender como os alunos 
interpretam as situações apresentadas e, por meio de perguntas norteadoras, 
deve-se permitir que eles vençam as restrições cognitivas e as dificuldades 
conceituais que por ventura venham a surgir. 
Neste contexto, uma das indagações primordiais é “o que mais 
caracteriza o tema?” No caso específico das tempestades, entre os vários 
tipos existentes, aquela mais assustadora, misteriosa é a tempestade de 
raios, ela está presente com maior frequência no cotidiano dos alunos. 
Desta forma, pode-se orientar a discussão para os elementos que mais 
contribuem para esta caracterização (desempenho) do tema: 
 
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 Atmosfera; 
 Nuvens; 
 Eletrização das Nuvens; 
 Raios; 
Nesta tentativa inicial de redução do tema, por exemplo, ainda parece 
haver uma multiplicidade possíveis caminhos. Então, uma abordagem mais 
visual pode facilitar a escolha, como segue: 
 
 
De acordo com as figuras, é possível verificar os diversos caminhos 
para abordagem do tema, visto que este é bastante amplo. Inicialmente, 
consideramos apenas a nuvem cumulonimbus, que entre os vários tipos de 
nuvens é considerada a principal nuvem que gera as tempestades. 
Em seguida, entre as duas teorias referentes à eletrização das nuvens, 
levaremos em conta a teoria por precipitação e por último como principal 
foco do trabalho, os raios, considerando a descarga elétrica entre a terra e a 
base da nuvem. Portanto, pode-se dizer que ainda que os outros itens sejam 
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importantes, o raio é bastante relevante pela ligação direta com os demais 
aspectos da tempestade. 
 
3.3. Definição do Recorte do Tema 
A escolha dos raios como parte principal a ser tratada não exclui os 
demais aspectos relacionados às tempestades. Estes também serão tratados 
para uma ampla e completa apreensão dos conceitos e fenômenos 
envolvidos. 
Assim, os processos que levam ao raio devem ser modelizados de 
forma a embasar o trabalho matemático e a compreensão das descargas 
elétricas. Com a correta relação e tratamento, estes aspectos gerais trazem 
possibilidades de trabalhos voltados a outros campos de conhecimento 
físico, como Termodinâmica, Mecânica e Ondas. 
Para a modelização dos aspectos dos raios nas tempestades, deve-se 
definir e discernir os mais relevantes ao tratamento desejado, e aqueles que 
podem ser descartados sem prejuízo ao desenvolvimento do modelo. 
Ao longo do processo de modelização pode acontecer das 
concepções e aspectos considerados úteis sofrerem readaptação ou ainda 
descarte, sendo assim substituídos por outros. 
 
 
8 
 
4. Árvore dos Conceitos 
Para o tema “A Física das Tempestades” propõe-se inicialmente a seguinte 
árvore de conceitos: 
 
Após a discussão dos conceitos envolvidos e dos objetivos a serem 
alcançados durante o trabalho, com á árvore de conceitos foi reformulada 
para a árvore de conceitos físicos que segue: 
 
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A seguir são detalhados alguns aspectos acerca da conceituação e da 
modelização pré-existentes para os itens constantes nesta árvore de 
conceitos. Tais aspectos estão disponíveis na literatura científica, cabendo 
ao professor aprofundar - se naquilo que julgar necessário. 
Tanto a árvore de conceitos acima quanto os aspectos a seguir estão 
aqui expostos de forma a contribuir para um melhor e rápido entendimento 
da modelização desenvolvida, a qual será apresentada no próximo capítulo. 
Vale ressaltar, porém, que a árvore de conceitos e a modelização foram 
desenvolvidas conjuntamente, de forma iterativa. 
 
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5. Atmosfera 
É uma massa de ar que envolve a superfície do globo terrestre e se 
estende ate 800 km acima da superfície, e 6 km acima desta a maior parte 
dos gases esta concentrada. As mudanças no clima podem afetar em 
especial a temperatura e causar severas tempestades, causando danos à 
população, como enchentes e apagões que causam transtornos às indústrias 
e ao sistema de transportes. As diferenças de temperatura são causadas pelo 
aquecimento ou resfriamento da superfície terrestre que causam mudanças 
no volume e densidade do ar, resultando em mudanças de pressão. Isto 
causa o movimento vertical e horizontal do ar, criando ou modificando o 
padrão de circulação local, que afeta a temperatura, padrões de vento e 
regime de precipitação, o que torna o sistema complexo e em constante 
transição. 
 
5.1. Composição da Atmosfera 
A atmosfera é composta, principalmente, por nitrogênio e oxigênio. 
Sendo que as substancias que a compõe estão na tabela abaixo de acordo 
com suas respectivas quantidades. 
 
O dióxido de carbono e o ozônio interferem no balanço calorífico 
atmosférico e na radiação que chega a superfície da Terra. Outras 
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substâncias produzidas juntamente com a poluição pelo homem ajudam na 
condensação essencial para a formação das nuvens e da precipitação, 
agindo como núcleos higroscópicos – propriedade de alguns materiais de 
absorver água. 
O vapor d'água é a substância mais importante para os fenômenos 
meteorológicos, podendo variar de 0,2 a 2,7%, sendo, no máximo, de 4%. 
Os ventos, em diversos níveis, são responsáveis pela distribuição do vapor 
d'água pelo planeta. 
 A atmosfera como a conhecemos, acredita-se, foi formada como 
resultadoda expulsão de substâncias voláteis do interior da Terra através da 
atividade vulcânica. Apesar de os gases expulsos nestas explosões se 
diferenciarem muito da atmosfera como a conhecemos, devemos levar em 
conta a transformação causada pela biosfera, litosfera e pela hidrosfera 
(sendo a hidrosfera a massa d’água acima da superfície da Terra, a biosfera 
sendo toda vida animal e vegetal, e a litosfera toda cama mais externa da 
superfície terrestre). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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5.2. O ciclo d’ água 
A água líquida (e o gelo), através da energia solar que penetra na 
atmosfera, evapora (e sublima). Mas para determinadas temperaturas a 
atmosfera pode, apenas, absorver uma quantidade de vapor. Quando esta 
fica saturada e mais vapor for adicionado, ou o ar for resfriado, o vapor se 
condensa, formando nuvens compostas de gotículas de água ou gelo. A 
água começa a se condensar no chamado ponto de orvalho. 
Na condensação de cada gotícula de água há liberação de energia, que é 
absorvida pela atmosfera. Esta energia é chamada de calor latente que 
aquece o ar adjacente, que sobe. Assim, este ar pode intensificar a corrente 
vertical de ar da nuvem, e intensificá-la. Quando as gotas de chuva, pedras 
de gelo ou flocos de neve, ficam pesados para permanecer em suspensão 
caem em precipitação, que traz água resfriada para a superfície. Uma parte 
penetra no solo e outra vai em direção aos corpos de água, evaporando 
novamente e fechando o ciclo. Este ciclo é o chamado ciclo da água. 
 
5.3. Aquecimento da Atmosfera 
A maior parte da energia solar recebida pela Terra é transmitida pela 
atmosfera sem aquecê-la, chegando à Terra e aquecendo-a, bem como o ar 
em contato com a superfície. Este ar aquecido sobe e gera uma corrente de 
convecção, muito importante, pois distribui o excesso de calor pela 
atmosfera. Em pequenas escalas esta corrente causa as brisas marítimas e 
trovoadas locais, em grande escala cria sistemas de alta e baixa pressão. 
Mas as inversões de temperatura da atmosfera inibem o movimento vertical 
do ar e faz com que as camadas pouco se misturem, mas também ocasiona 
turbulências na parte mais próxima à superfície da Terra. 
 
5.4. Variações Sazonais do Aquecimento Atmosférico 
 Com a alteração do eixo de inclinação da Terra em relação ao Sol, 
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temos uma maior concentração de raios solares entre o Trópico de Câncer e 
de Capricórnio, onde ocorre então, o maior aquecimento da superfície 
terrestre, assim as temperaturas ali são altas o ano inteiro. Em latitudes 
(norte ou sul) maiores que destes Trópicos (23,5º) a temperatura então 
muda sazonalmente, afetando os padrões do tempo. 
 
5.5. A Estrutura da Atmosfera 
 É importante entender que a atmosfera é um sistema complexo, 
composto por vários gases em diversos níveis, que terão diferentes 
condições meteorológicas, como os sentidos e velocidades dos ventos, e a 
temperatura. A medição destas condições (padrões verticais de temperatura) 
pode ser feita por balões meteorológicos ou satélites estacionários. 
 Existe um padrão de temperatura para a atmosfera (ISA – ICAO 
Standard Atmosphere), importante para comparações, e que nos dá que a 
temperatura decresce 6,5°C/Km. Este é o denominado lapse rate padrão, e 
se mantém até a tropopausa, onde a temperatura se mantém constante. A 
troposfera marca a altura máxima do topo de nuvens. 
 
 
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6. Nuvens 
 
Na natureza existem vários fenômenos, que há anos têm instigado o 
interesse humano a desvendar cada vez mais os mistérios destes 
fenômenos. As nuvens são responsáveis por vários destes fenômenos 
curiosos, como por exemplo, neve, granizo, arco-íris, relâmpagos, trovões, 
tempestades severas, entre outros. 
 As nuvens são constituídas por gotículas de água condensada, oriunda 
da evaporação da água na superfície do planeta, ou cristais de gelo que se 
formam em torno de núcleos microscópicos, geralmente de poeiras 
suspensa na atmosfera. Elas são normalmente classificadas em famílias, de 
acordo com a altura de suas bases em relação ao solo. 
As nuvens estão em constante modificação, assumindo as mais 
variadas formas, alterando continuamente o tamanho e, ás vezes, o aspecto. 
O aspecto de uma nuvem está relacionado com duas propriedades: a 
luminância e a cor. A luminância de uma nuvem depende da quantidade de 
luz que é refletida, transmitida e difundida pelas partículas que a 
constituem. A fonte luminosa pode ser representada pelo Sol, pela Lua, ou 
mesmo por uma luz artificial oriunda de uma grande cidade. 
A cor de uma nuvem depende do comprimento de onda da luz 
incidente. Quando o ângulo zenital do Sol é pequeno as nuvens ou suas 
partes diretamente iluminadas são brancas ou cinzentas. Quando o disco 
solar se aproxima do horizonte passam a exibir coloração progressivamente 
amarela, laranja e vermelha. Pouco antes do nascimento e logo depois do 
ocaso do Sol, as nuvens próximas da superfície terrestre são cinzentas (pois 
se encontram no cone de penumbra da Terra), enquanto as demais, mais 
altas, são avermelhadas, alaranjadas ou esbranquiçadas, dependendo da 
altura em que se encontrem, pois ainda estão recebendo luz do Sol. 
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A espessura das nuvens é muito variável. Nas mais espessas é costume 
designar o limite inferior como base e o superior como topo. Nas nuvens 
espessas é comum a presença de porções escuras, decorrentes da sombra 
projetada pelas partes superiores; as de espessura reduzida são em geral, 
completamente brancas, excetos nas ocasiões mencionadas acima, ou 
quando fumaça, poeira etc., se interpõem entre ela e o observador. 
 
6.1. Classificação das Nuvens 
 As nuvens são divididas segundo as suas dimensões e altura da base: 
Classe Designação Símbolo 
Altura da 
base (km) 
Nuvens Altas 
Cirrus (Cirro) Ci 7-18 
Cirrocumulus (Cirrocumulo) Cc 7-18 
Cirrostratus (Cirrostrato) Cs 7-18 
Nuvens Médias 
Altostratus (Altostrato) As 2-7 
Altocumulus (Altocumulo) Ac 2-7 
Nuvens Baixas 
Stratus (Estrato) St 0-2 
Stratocumulus (Estratocumulo) Sc 0-2 
Nimbostratus (Nimbostrato) Ns 0-4 
Nuvens com 
desenvolvimento 
vertical 
Cumulonimbus (Cumulonimbo) Cb 0-3 
Cumulus (Cumulo) Cu 0-3 
 
As nuvens altas são sempre antecedidas do prefixo cirro porque 
apresentam sempre um aspecto tênue e fibroso. As nuvens médias 
apresentam o prefixo alto. A designação estrato entra nas nuvens de maior 
extensão horizontal, enquanto a designação cumulo entra nas de maior 
desenvolvimento vertical. 
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Apesar de os astrônomos antigos terem atribuído nomes às maiores 
constelações há cerca de 2000 anos, as nuvens não foram devidamente 
identificadas e classificadas até inícios do século XIX. O naturalista francês 
Lamarck (1744-1829) propôs o primeiro sistema de classificação de nuvens 
em 1802, não tendo o seu trabalho sido reconhecido. Um ano mais tarde, 
foi à vez do inglês Luke Howard apresentar um novo sistema, sendo este 
aceito pela comunidade científica. Em 1887, Abercromby e Hildebrandsson 
generalizaram o sistema de Howard, sendo este o utilizado atualmente. 
 
6.2. Identificação das Nuvens 
 
 
 
 Cirrus: São as nuvens altas mais comuns. São finas e compridas e 
formam-se no topo da troposfera. Formam estruturas alongadas e permitem 
inferir a direção do vento naquela altitude. A sua presença é normalmente 
indicadora de bom tempo. 
 Cirrocumulus: São menos vistas do que os cirrus. Aparecem como 
pequenos puffs, redondos e brancos. Podem surgir individualmente ou em 
longas fileiras. Normalmente ocupam uma grande porção de céu. 
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 Cirrostratus: São asnuvens finas que cobrem a totalidade do céu, 
causando uma diminuição da visibilidade. Como a luz atravessa os cristais 
de gelo que as constituem, dá-se refração, dando origem a halos e/ou sun 
dogs. Na aproximação de uma forte tempestade, estas nuvens surgem muito 
frequentemente e, portanto dão uma pista para a previsão de chuva ou neve 
em 12 - 24h. 
 Altocumulus: São nuvens médias que são compostas na sua maioria 
por gotículas de água e quase nunca ultrapassam o 1 km de espessura. Têm 
a forma de pequenos tufos de algodão e distinguem dos 
cirrocumulus porque normalmente apresentam um dos lados da nuvem 
mais escuro que o outro. O aparecimento destas nuvens numa manhã 
quente de verão pode ser um sinal para o aparecimento de nuvens de 
trovoada ao final da tarde. 
 Altostratus: São muito semelhantes aos cirrostratus, sendo mais 
espessas e com a base numa altitude mais baixa. Cobrem em geral a 
totalidade do céu quando estão presentes. O Sol fica muito tênue e não se 
formam halos como nos cirrostratus. Outra forma de distingui-los é olhar 
para o chão e procurar por sombras. Se existirem, então as nuvens não 
podem ser altostratus porque a luz que as consegue atravessar não é 
suficiente para produzir sombras. Se produzirem precipitação podem 
originar nimbostratus. 
 Nimbostratus: Nuvens baixas, escuras. Estão associados aos 
períodos de chuva contínua (de intensidade fraca a moderada). Podem ser 
confundidos com altostratus mais grossos, mas os nimbostratus são em 
geral de um cinzento mais escuro e normalmente nunca se vê o Sol através 
deles. 
 Stratocumulus: Nuvens baixas que aparecem em filas, ou agrupadas 
em outras formas. Normalmente consegue ver-se céu azul nos espaços 
entre elas. Produzem-se frequentemente a partir de um cumulus muito 
18 
 
maior por altura do pôr do sol. Diferem dos altocumulus porque a sua base 
é muito mais baixa e são maiores em dimensão. Raramente provocam 
precipitação, mas podem eventualmente provocar aguaceiros no Inverno e 
se desenvolverem verticalmente em nuvens maiores e os seus topos 
atingirem uma temperatura de -5ºC. 
 Stratus: É uma camada uniforme de nuvens que habitualmente 
cobre todo o céu e lembra um nevoeiro que não chega a tocar no chão. 
Aliás, se um nevoeiro espesso ascender, originam-se nuvens deste tipo. 
Normalmente não originam precipitação, que, a ocorrer, o faz sob a forma 
de chuvisco. Não deve ser confundida com os Nimbostratus (visto que 
estes originam precipitação fraca a moderada). Além disso, os stratus 
apresentam uma base mais uniforme. Estas nuvens não devem ser 
confundidas com altostratus visto que não deixam passar a luz direta do 
Sol. 
 Cumulus: São as nuvens mais vulgares de todas e aparecem com 
uma grande variedade de formas, sendo a mais comum a de um bocado de 
algodão. A base pode ir desde o branco até ao cinzento claro e pode 
localizar-se a partir dos 1000m de altitude (em dias úmidos). O topo da 
nuvem delimita o limite da corrente ascendente que lhe deu origem e 
habitualmente nunca atinge altitudes muito elevadas. Surgem bastante 
isoladas, distinguindo-se assim dos stratocumulus. Além disso, 
os cumulus têm um topo mais arredondado. Estas nuvens são normalmente 
chamadas cumulus de bom tempo, porque surgem associadas á dias 
soalheiros. 
 Cumulonimbus: São nuvens de tempestade, onde os fenômenos 
atmosféricos mais interessantes têm lugar (trovoadas, aguaceiros, granizo e 
até tornados). Estendem-se desde os 600m até à tropopausa (12.000 m). 
Ocorrem isoladamente ou em grupos. A energia liberada na condensação 
das gotas resulta em fortes correntes no interior da nuvem (ascendentes e 
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descendentes). Na zona do topo, existem ventos fortes que podem originar 
a forma de uma bigorna. 
 
6.3. Formação das Nuvens 
As nuvens são formadas quando o ar é resfriado até o ponto de 
orvalho. Nessa temperatura, o vapor d’ água existente no ar se condensa 
com a ajuda de partículas que estão suspensas, conhecidas como núcleos de 
condensação. O núcleo de condensação pode ser o sal marinho, a areia ou 
outra partícula minúscula qualquer na atmosfera, que se chamam 
comumente de lito meteoros. 
A nuvem é uma coleção de gotículas de água condensadas ou cristais 
de gelo, pequenos o bastante para permanecerem suspensos no ar por ação 
das correntes ascendentes. O ar é mais facilmente resfriado por meio de 
convecção, e quando houver convecção e o ar for úmido o bastante, é 
provável que aconteça a formação de vários tipos de nuvens. O ar pode ser 
elevado, por processo convectivo, ao ser aquecido na superfície, forçado ao 
longo de uma linha frontal ou subindo uma encosta. Muitas das nuvens 
observadas na imagem de satélite formaram-se como resultado de um 
processo convectivo natural ou mecânico (forçado). 
 Outra maneira como o ar pode ser resfriado é pelo contato com uma 
superfície mais fria. Por exemplo, quando o ar aquecido tem contato com o 
solo ou a água resfriada, forma-se um nevoeiro, chamado de nevoeiro de 
advecção. O nevoeiro nada mais é que a nuvem formada no nível da 
superfície. 
A formação de uma nuvem é um relato fiel da estabilidade e 
instabilidade da atmosfera. Em ar instável, o aquecimento desigual causa 
correntes convectivas, e as parcelas aquecidas do ar começam a subir. Com 
isso, o ar resfria-se, e as nuvens provavelmente irão se formar na região da 
convecção. Essas nuvens são caracterizadas pelo desenvolvimento vertical 
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e podem crescer muito. Algumas nuvens formadas com a instabilidade 
estão associadas a trovoadas, pancadas de chuva, granizo e rajadas de 
vento. Entre os locais de ar ascendentes, cria-se também a subsidência – a 
descidas das parcelas de ar resfriadas. Quando existe subsidência, as 
nuvens normalmente não aparecem. 
No ar estável, existe um movimento vertical muito pequeno. As 
nuvens que nele se formam não possuem muito desenvolvimento vertical, 
como no ar instável. Elas podem ser planas, em camadas ou com aparência 
de um lençol. O teto baixo, a pouca visibilidade e a precipitação leve e 
contínua estão associadas à estabilidade das massas de ar nos baixos níveis 
da atmosfera. 
 
6.4. Formação das Nuvens Cumulonimbus 
O que ocasiona uma Cumulonimbus? 
Cumulonimbus, ou nuvem de tempestade, é uma nuvem convectiva 
que produz chuva e relâmpagos. Geralmente produz granizos, fortes frentes 
de rajada, tornados, e precipitação severa. Muitas regiões da Terra 
dependem quase totalmente das nuvens cumulonimbus para precipitação. 
Elas também apresentam um papel importante no ciclo energético e na 
circulação global da atmosfera pelo seu eficiente transporte de umidade e 
calor sensível e latente nas porções superiores da troposfera e inferiores da 
estratosfera. 
A ação de um CB fica limitada ao diâmetro entre 5 e 25 milhas, sendo, 
portanto, uma tempestade muito localizada, cujos topos podem chegar, ou 
ultrapassar, aos 17.000 metros, nas latitudes baixas e nas regiões de 
ciclones tropicais e furacões. 
Para o desenvolvimento de um CB, existem três ingredientes essenciais: 
1. Umidade - A presença de umidade na atmosfera é necessária para a 
formação da nebulosidade e de precipitação. O sol, além de aquecer o solo 
21 
 
e o ar sobre ele, provoca a evaporação da umidade do solo, lagos, rios e 
oceanos, aumentando assim a umidade do ar. 
2. Instabilidade - O aquecimento do ar nos níveis próximos ao solo 
associado ao aumento da umidade desestabiliza a massa de ar. O ar quente 
é menos denso (mais leve) que o ar frio, então, existindo ar frio e seco 
acima, a tendência será de troca de ar, com o ar frio descendo e o ar quente 
subindo. Isto é instabilidade. 
3.Levantamento – Este é o gatilho para o início de ascensão do ar e o 
princípio da tempestade. São exemplos de levantamentos: 
a) Ar movendo-se para cima de uma montanha (levantamento orográfico); 
b) Ar colidindo com uma frente (levantamento frontal). Frente é a zona de 
transição entre duas massas de ar diferentes; onde as massas colidem, o ar 
menos denso (quente ou mais úmido) ascende sobre o outro; 
c) Ar frio soprando do oceano ou lago pode formar frente de brisa 
marítima, caso o ar frio colida com o ar mais quente sobre o continente e; 
d) A corrente descendente fria que sai do CB forma “frentes de rajadas”, as 
quais podem vir a causar o desenvolvimento de novos CB's. 
 
 Como a Cumulonimbus se desenvolve? 
A formação das CB é dividida em três fases: 
 A primeira fase é aquela em que uma nuvem cumulus começa a se 
desenvolver verticalmente, devido às correntes de ar ascendentes que 
dominam toda nuvem, transformando se em uma torre cumulus, como 
mostra a figura 6.4.1. 
a) 
 
b) c) d) 
22 
 
 
Figura 6.4.1. - Estágio Cumulus 
 
A segunda fase e mais perigosa, é quando a nuvem encontra-se em 
seu estágio de maturidade. As correntes ascendentes (na vertical) podem 
chegar a velocidades próximas estágio de cumulus a 40 nós. Em seu topo, 
os ventos em altos níveis (na horizontal) começam a formar sua “bigorna 
ou cabeleira”, chegando, por vezes, a estendê-la até 100 milhas a favor do 
vento. 
Nesta fase, as correntes ascendentes podem transportar até 8.000 
toneladas de água por minuto. O vapor d'água condensa ao colidir nas 
gotículas da nuvem, as quais aumentam de tamanho à medida que vão 
sendo levadas para cima. Neste momento, também podem ocorrer correntes 
descendentes, em virtude de algumas gotículas caírem ao se tornarem mais 
pesadas, vencendo as correntes ascendentes. 
Na descida, podem passar por camadas de ar não saturadas e alguma 
evaporação pode ocorrer. Evaporação é um processo de resfriamento (seu 
corpo se resfria quando o suor em sua pele é evaporado), portanto, este 
processo causa um maior resfriamento da parcela de ar que está em sua 
volta, dando início a um afundamento do ar, intensificando, assim, as 
correntes descendentes (downdraft). 
Um CB é considerado em seu estágio de maturidade, quando estiver 
com correntes ascendentes e descendentes. 
 
23 
 
 
Figura 6.4.2. - Estágio de Maturidade 
 
A terceira fase, dissipação, começa quando as correntes descendentes 
frias atingem o solo, a chuva resfria o ar nos níveis mais baixos e nenhuma 
nova fonte de instabilidade está presente. Ao final, as correntes 
descendentes predominam e o CB tende a se dissipar, sobrando apenas à 
bigorna como nuvem cirrus (nuvem alta). O ciclo médio de vida entre os 
estágios de cumulus e de dissipação pode levar de 30 a 40 minutos. Isto 
mostra porque o CB pode causar tantos estragos e, muitas vezes de forma 
inesperada. 
 
 
Figura 6.4.3. – Estágio de Dissipação 
 
6.5. A Eletrização das Nuvens 
De acordo com a teoria mais aceita, a nuvem se eletriza a partir das 
colisões de partículas de gelo acumuladas em seu interior. Outra causa que 
não exclui a primeira, estaria em efeitos resultantes da diferença de 
condutividade elétrica do gelo devido a diferenças de temperatura no 
24 
 
interior da nuvem. Durante as colisões, as partículas de gelo perdem 
elétrons e transformam-se em íons. Isso torna a nuvem eletricamente 
carregada. As partículas têm tamanho variado e, segundo medidas feitas 
por sondas meteorológicas, as menores e mais leves ficam com carga 
positiva e as maiores e mais pesadas (partículas de gelo denominadas 
granizo)com carga negativa. 
Alguns fatores como os ventos, a temperatura e força da gravidade 
fazem com que cargas de mesmo sinal se concentrem em regiões 
específicas da nuvem. Geralmente a parte inferior, a base da nuvem, e a 
parte superior ou topo da nuvem, são os locais de maior acúmulo de carga, 
de sinais contrários, funcionando assim como armaduras de um capacitor. 
A forma com a qual estas cargas “surgem” no interior da nuvem de chuva é 
ainda motivo de muito debate entre cientistas. Não existe uma explicação 
que pode ser totalmente aceita. 
 Até o presente momento existem duas correntes que tentam explicar 
a distribuição de cargas em tempestades: Hipótese de carregamento por 
convecção e Carregamento por processos de precipitação. Ambas as 
hipóteses baseiam-se em um modelo simples de dipolo, aonde existem 
regiões distintas de carga positiva e negativa em uma nuvem. 
 
6.5.1. Teoria de carregamento por convecção 
 
De acordo com a Teoria de carregamento por convecção, a 
eletrificação de tempo bom estabelece uma concentração de íons positivos 
próximo à superfície da Terra. As correntes ascendentes da nuvem 
convectiva varrem esses íons carregando a nuvem positivamente. 
Conforme a nuvem penetra em altos níveis, ela encontra ar onde as 
condições de mobilidade dos íons livres aumentam com a altura. Acima de 
6 km, a radiação cósmica produz alta concentração de íons livres. A nuvem 
25 
 
carregada positivamente atrai íons negativos que penetram na nuvem e 
aderem às gotículas e cristais de gelo, formando um envoltório de cargas 
negativas nas regiões limites da nuvem. As correntes descendentes na 
fronteira da nuvem transportam as partículas carregadas negativamente 
para baixo, resultando numa estrutura de dipolo. As partículas negativas 
aumentam o campo elétrico próximo ao solo causando pontos de descarga e 
produzindo um feedback positivo para a eletrificação da nuvem. 
 
 
 
Figura 6.5.1.a - Modelo dipolo de distribuição de cargas em tempestades pela hipótese de convecção. 
 
6.5.2. Teoria de carregamento por precipitação 
 
A hipótese de precipitação assume que em tempestades as gotas de 
chuva, granizo e graupel, com tamanhos da ordem de milímetros a 
centímetros, precipitam devido à gravidade e caem sobre o ar com 
gotículas de água e cristais de gelo em suspensão. Desta forma, a colisão e 
coalescência entre partículas precipitantes grandes e pequenas promovem a 
transferência de cargas negativas para as partículas precipitantes, e por 
conservação de cargas, cargas positivas são transferidas para as gotículas 
de água e cristais de gelo suspensos no ar. Logo, se as partículas que 
precipitam tornam-se carregadas negativamente, a parte de baixo da nuvem 
26 
 
acumulará cargas negativas e a parte superior ficará carregada 
positivamente. 
Esta configuração é conhecida como “dipolo positivo”, ou seja, a 
parte superior da nuvem é carregada positivamente e a base negativamente. 
 
 
 
Figura 6.5.2.b - Modelo dipolo de distribuição de cargas em tempestades pela hipótese de precipitação. 
 
O modelo atual de tempestades consiste de uma configuração 
Tripolo, a qual pode ser entendida pela figura 6. Durante o estágio de 
maturação de uma tempestade, a região principal de cargas negativas está a 
uma altura de 6 km e temperaturas aproximadamente 15
o
C negativo. Sua 
espessura é de somente de algumas centenas de metros. A parte superior 
está carregada positivamente e geralmente excede a tropopausa, ~ 13 km. 
Sob o topo desta nuvem existe uma camada fina de cargas negativas, que 
pode ter origem de raios cósmicos os quais ionizaram as moléculas de ar. 
Na parte inferior da nuvem, existe uma segunda região de cargas positivas, 
menor que a primeira. 
No estágio de amadurecimento das tempestades, as correntes 
ascendentes dominam, enquanto que no estágio de dissipação as correntes 
descendentes dominam. No estágio de dissipação, a parte mais baixa da 
nuvem, que está carregada positivamente,precipita para fora as cargas 
positivas dentro das correntes descendentes fortes. 
27 
 
 
 
Figura 1.5.2.c - Modelo de carga tripolo para uma tempestade durante estágio de maturação (esquerdo) e 
dissipação (direito). 
 
6.5.3. Características típicas das cargas nas nuvens 
 As cargas negativas usualmente se concentram na parte inferior das 
tempestades. Tipicamente em temperaturas maiores que - 25
o
C e às vezes 
maiores que -10
o
C. 
 As cargas positivas estão situadas tipicamente acima da região de 
cargas negativas. Evidências experimentais suportam que se concentram na 
região superior das tempestades e na bigorna; 
 Três diferentes polaridades de carga podem existir ao longo de uma 
região; 
 Perfis verticais do campo elétrico vertical ( ) indicam mais de três 
regiões de cargas (modelo tripolo); 
 Camadas de blindagem geralmente existem nas bordas da nuvem, em 
especial no topo das nuvens; 
 A maioria dos íons pequenos que são inseridos na parte baixa das 
tempestades é produzida por pontos de descarga, ex: árvores, grama, 
antenas e etc; 
28 
 
 Em geral, as gotas de chuva transportam cargas positivas para baixo 
da nuvem. As cargas de chuva próximas da superfície são afetadas 
significativamente pelos íons produzidos pelos pontos de descarga. 
 Depois que as cargas são separadas (~1 milhão de volts por metro), 
uma descarga elétrica é iniciada, visando neutralizar as cargas que foram 
separadas. 
 
29 
 
7. A Eletricidade na Atmosfera 
Existe um potencial elétrico na atmosfera de cerca de 100 V a cada 
metro de distância do solo. Este potencial decai com maiores valores de h 
(em relação ao solo), sendo praticamente nulo a 50 km de altura. Entre a 
superfície da Terra e o topo da atmosfera, então, temos 400.000 V de 
potencial elétrico. 
Podemos então dizer que a carga superficial na Terra é dada por , 
mas a condutividade do ar é muito pequena, então a corrente na Terra, por 
m² é de 
 
 
 . Sendo esta é dada pelos poucos íons que podem 
estar disponíveis. O campo elétrico destes íons atraem outras moléculas e 
formam um “caroço”. Estes “caroços” juntos se movem para cima e para 
baixo criando a corrente observada. 
Mas de onde vêm estes íons? Em 1912, Hess descobriu, com um 
aparato (eletrômetro) erguido por balões que a eletrização da atmosfera 
aumenta com a altitude. Esta medida é realizada pelo eletrômetro através 
da eletrização de suas placas (entre as quais há ar) por um potencial V, 
então, o tempo que estas levam para descarregar dará a “medida” da 
condutividade do ar. Ou seja, os raios cósmicos são responsáveis pelo 
suprimento de elétrons para a eletrização da atmosfera. 
Também existem os chamados “íons grandes”, que são pequenas 
partículas liberadas no ar. Dois exemplos são minúsculas partículas de 
poeira e cristais de NaCl liberados com a quebra das ondas do mar. Estas 
partículas ficam carregadas se tornando íons. Porém, os íons pequenos 
(formados pelos raios cósmicos) têm maior mobilidade. 
Então, a condutividade total do ar é bastante variável, pois há troca 
de cargas entre estas partículas. O vento e outros aspectos também 
influenciam neste processo. Como a condutividade é bastante variável, a 
voltagem também se torna variável. 
30 
 
Mas esta condutividade aumenta muito com a altura em relação à 
superfície da Terra, pois o acúmulo de íons aumenta. Isto se dá pela maior 
ionização pelos raios cósmicos e, com a menor densidade do ar, o aumento 
do caminho médio livre dos íons. 
Considerando toda a superfície da Terra então temos uma corrente de 
cargas positivas total de cerca de 1800 A, que com a tensão de 400.000 V 
nos dá uma potência de 700 MW. Isto deveria descarregar a Terra dos íons 
negativos disponíveis. Mas isto não acontece. Por quê? 
A cerca de 50 km de altitude podemos considerar o ar perfeitamente 
condutor, então podemos imaginar nesta altura uma superfície condutora 
perfeita. Então, como esta carga é “enviada” para a Terra? 
Aqui cabe citar um fato interessante. A medida da corrente sobre o 
mar tem uma variação diária. Esta corrente é cerca de 15% maior, em 
qualquer oceano, às 19h de Londres, e é menor às 4h da manhã de Londres. 
Ou seja, não varia com o horário local, mas com um tempo absoluto da 
Terra. Isto se explica pela invariabilidade lateral na superfície de alta 
condutividade. 
Como falado acima, de onde vêm a enorme carga negativa existente 
na superfície terrestre? Dos raios! As tempestades são as baterias destas 
cargas. Nove em dez vezes o raio traz grandes quantidades de cargas 
negativas para a Terra. Estas cargas são descarregadas nas regiões onde as 
tempestades não estão acontecendo, conforme supracitado. Cerca de 300 
temporais acontecem todos os dias na Terra, estes temporais trazem cargas 
negativas para a superfície desta e mantêm as cargas negativas sendo 
“bombeadas” para a Terra. 
Cálculos estimando o número de relâmpagos mundialmente a cada 
instante mostraram que os valores concordam com a diferença de voltagem 
sendo o pico de atividade dos temporais próximo às 19h de Londres. 
31 
 
Podemos começar o estudo de tempestades delimitando a área de nossa 
atenção a uma “célula”, região na direção do horizonte na qual todos os 
processos básicos ocorrem. Em todas as células acontecerão 
aproximadamente à mesma coisa, ainda que em momentos diferentes. 
Nesta região então, no início da tempestade existe um movimento de 
ar para cima, cuja velocidade fica maior quanto mais nos aproximamos do 
topo. O ar quente e úmido, esfria e condensa no topo da tempestade, 
durante este processo há também entrada de ar pelos lados. Pela diferença 
de temperatura dentro da nuvem o sistema é termodinamicamente instável. 
Mesmo se fosse deixado termalizar por longo tempo haveria sempre o sol 
brilhando (durante o dia) e a Terra reemitindo radiação. 
Mas como se dá o “equilíbrio” termodinâmico da Terra? 
O ar quente da superfície tende a subir, mas neste processo sua 
densidade cai. Assim, ele se expande de forma adiabática porque não há 
tempo para troca de calor considerável. Então, o ar esfriaria enquanto sobe, 
tornando a descer. Isto para o ar seco. Pois, para o ar úmido há uma curva 
de resfriamento diferente. Mesmo subindo ele será mais quente que o ar 
quente à sua volta. Assim, atingirá grandes altitudes, o que faz com que o 
ar em uma célula de tempestade suba. Contudo, conforme a “bolha” de ar 
úmido e seco sobe ela leva consigo o ar ambiente, que a resfria. O que 
aproxima o comportamento do citado anteriormente. 
No temporal “maduro”, já formado, temos uma corrente ascendente 
de velocidade de cerca de 96 km/h, que sobe de 10 mil a 15 mil metros, até 
mais. O vapor d’água, subindo e sendo condensado tem suas gotas d’água 
resfriadas a uma temperatura abaixo de zero grau. Mas o congelamento não 
é imediato, é um “super-congelamento” que leva as gotículas d’água a uma 
temperatura menor que a do ponto de congelamento antes da formação dos 
cristais. 
32 
 
As colisões entre gotículas d’água e os cristais de gelo as faz 
cristalizar subitamente, gerando rápido acúmulo de grandes cristais de gelo 
em um ponto de expansão da nuvem. 
Quando estas partículas estão muito grandes para serem sustentadas 
pelas correntes ascendentes, começam a cair. Neste processo carregam um 
pouco de ar com elas, gerando uma corrente descendente, que se mantém. 
Mas o ar caindo chega a uma temperatura inferior à do ambiente de acordo 
com a curva termodinâmica. 
Assim, começa a chuva. Mas um pouco antes de ela cair há um vento 
frio que nos avisa da aproximação deste momento. Estevendo deriva das 
rajadas de ar, rápidas e irregulares, que geram uma turbulência na nuvem. 
Juntamente com o início da precipitação há o início da grande corrente 
descendente, e também os fenômenos elétricos. Cerca de meia, uma hora 
depois as correntes ascendentes cessam, pois não há mais ar quente 
suficiente para mantê-las. As correntes descendentes continuam por algum 
tempo, mas tudo se acalma aos poucos conforme porções de água caem. 
Pelos ventos em altitudes elevadas estão em diferentes direções o topo da 
nuvem se espalha em forma de bigorna e a célula chega ao fim de sua vida. 
O mecanismo de separação de cargas dá cargas positivas acumuladas 
no topo da tempestade, e cargas negativas acumuladas na parte inferior da 
tempestade. Há apenas uma região definida na parte de baixo da nuvem 
que acumula cargas positivas. Mas não se sabe o porquê disto. Mesmo 
assim, a predominância das cargas positivas no topo e de negativas na base 
mantém a “bateria” necessária para manter a Terra negativamente 
carregada. 
A quantidade de cargas é suficiente para produzir diferença de 
potencial entre 20 milhões e 100 milhões de volts entre a nuvem e a Terra. 
Comparando com a carga que temos em tempo bom (atmosfera limpa) 
33 
 
(cerca de 0,4 milhões de volts) vemos que durante a tempestade esta carga 
é muito maior. 
Quando acontece o colapso (raio), as cargas negativas são levadas da 
base da tempestade para a Terra. Então, para que o raio possa acontecer 
devemos ter o colapso, ou seja, a voltagem deve ser altíssima para que o ar 
se torne condutor. 
Os raios existem em partes diferentes da nuvem, entre duas nuvens 
ou entre a nuvem e a Terra. Em cada raio que vemos há entre 20 e 30 
Coulomb de carga descendo. Quanto tempo esta descarga demora? Ou seja, 
quanto tempo dura o raio? 
Podemos medir isto a partir do campo elétrico produzido pelo 
momento de dipolo da nuvem, sendo medido longe da nuvem. Nesta 
medida verifica-se que há um decaimento súbito no campo quando ocorre o 
raio e posteriormente um retorno exponencial para o valor anterior ao raio. 
Tudo em cerca de 5 segundos (valor variável para cada caso). Em 5 
segundos o temporal já está carregado novamente. Mas os raios não 
ocorrem exatamente a cada 5 segundos porque as características (como 
geometria) da tempestade mudaram. 
Existe, então, aproximadamente 4 A de corrente no mecanismo de 
geração do temporal. Experimento possível: Um pequeno bocal conectado 
a uma torneira. Direciona-se o feixe fino para cima, em um ângulo agudo 
(íngreme). Este feixe as espalhará em minúsculas gotículas. Aproximando, 
por exemplo, um bastão carregado o feixe irá mudar de acordo com: 
Se o campo elétrico for fraco, as gotículas o feixe se quebra em um número 
menor de gotículas maiores, pois o campo elétrico fraco tende a inibir a 
separação do feixe em gotas. Mas se for aproximado um campo elétrico 
forte, o feixe se separará em gotículas menores que as anteriores. Ou seja, o 
campo elétrico forte tem a tendência de separar o feixe em gotículas. 
34 
 
A explicação deste fenômeno se dá pela eletrização do feixe que 
ocorre com a aproximação do campo elétrico. Um “lado” do feixe se torna 
ligeiramente mais positivo e o outro “lado” ligeiramente mais negativo. 
Com isto as gotículas tendem a se atrair e formar gotas maiores se o campo 
for fraco, mas se o campo for forte a carga de cada gotícula se torna muito 
maior, pois haverá maior separação das cargas. Então, as cargas se repelem 
e formam um número maior de gotículas ainda menores. 
Várias teorias foram desenvolvidas e estão envolvidas para explicar 
os aspectos do temporal, todas elas envolvem a ideia de que deve haver 
alguma carga nas partículas (água ou gelo) que se precipitam e uma carga 
diferente no ar. 
Mas como começou o carregamento das gotas? 
A mais antiga, a teoria da “Gota Quebrada” traz que se você tiver 
uma gota d’água que se quebra em duas partes numa ventania haverá uma 
carga positiva e uma carga negativa no ar. Esta teoria apresenta dois 
problemas, um no sinal da carga e outro por considerar os efeitos de 
precipitação relacionados com a água, quando na verdade, em alguns locais 
da atmosfera, elas está relacionada ao gelo. 
Pode-se imaginar então uma carga no topo da gota e outra carga na 
base. Assim poderia ser explicado o fato das gotas se separarem em duas 
partes iguais quando em movimento em um jato de ar. As gotas pequenas 
caindo pelo ar mais lentamente seriam carregadas, ou seja, ocorreria a 
separação de cargas. 
 
35 
 
8. Raios 
 
8.1. Brasil, o país dos Raios. 
 
Desde a antiguidade até hoje em dia, as descargas atmosféricas 
impressionam a humanidade tanto pelo seu espetáculo visual e sonoro, 
quanto pela sua capacidade de destruição. Pesquisas mostram que o Brasil 
é o país com maior incidência de raios do mundo, chegando a quase 50 
milhões de quedas por ano e a cada 50 mortes do mundo por causa dos 
raios, uma é no Brasil. 
Mas por que isso acontece? Isso se dá porque o território nacional é o 
maior localizado dentro da zona tropical do planeta, que é uma região 
naturalmente mais quente e úmida por e isso é favorável à formação de 
tempestades, o que causa a maior incidência de raios. 
Este assunto está em evidência atualmente na mídia, porém ao pensarmos 
sobre raios, podem surgir algumas perguntas que podem não ser tão triviais 
quanto parece. Agora passa-se a descrever um pouco mais profundamente o 
que é entendido sobre raios, porém há muita coisa que não é entendida 
ainda, então será descrita ao menos um pouco de como é formado, como 
ocorre e um pouco da história sobre os raios. 
 
8.2. Raios e a origem da vida 
 
Os relâmpagos provavelmente estavam presentes durante o 
surgimento da vida na Terra, e podem mesmo ter participado na geração 
das moléculas que deram origem à vida. A cerca de três bilhões de anos, a 
atmosfera da Terra era bem mais quente que atualmente e ainda continha 
uma grande quantidade de moléculas de diversos gases, tais como amônia, 
metano e hidrogênio. 
36 
 
Nesta atmosfera, as tempestades provavelmente eram muito mais 
carregadas eletricamente do que as tempestades de hoje e, em 
consequência, havia relâmpagos em maior quantidade e com maior 
intensidade que os relâmpagos de hoje. 
Evidências indicam que os relâmpagos podem estar relacionados à 
formação dos primeiros compostos denominados aminoácidos, que teriam 
ocorrido nestes estágios iniciais da evolução da atmosfera terrestre. Tais 
aminoácidos, que teriam se formado a partir da quebra pelos relâmpagos de 
moléculas de amônia, metano, hidrogênio e vapor d'água, abundantes 
naqueles tempos, são estruturas básicas para a formação de todas as 
proteínas e indispensáveis a todas as formas de vida em nosso planeta. 
Experimentos em laboratório, utilizando descargas induzidas em uma 
mistura de amônia, metano, hidrogênio e vapor d'água, indicam que tal 
processo é, em princípio, possível, embora haja muitas incertezas em 
relação às condições durante os estágios iniciais da evolução da atmosfera 
terrestre. 
 
8.3. Quem começou a tratar os raios como fenômeno elétrico? 
 
No passado nada se sabia a respeito dos raios, no quesito físico-
científico, até que em meados do século XVIII, Benjamin Franklin 
começou a estudá-los com um olhar mais voltado para a ciência. Porém é 
importante destacar que essa descoberta não ocorreu da noite para o dia. 
Em vários momentos Franklin manifestou suas ideias sobre a natureza 
elétrica dos raios, e não somente quando propôs o experimento da pipa, 
que por muitas vezes é mencionado pelos livros didáticos como o inicio 
dos estudosde Benjamin sobre esse fenômeno. Com seus estudos e 
observações, B. Franklin foi o primeiro a desmistificar os raios e assim 
defini-los como fenômeno elétrico. 
37 
 
8. 4. O que sabemos hoje em dia? 
 
Hoje em dia sabe-se que uma descarga elétrica se inicia quando a 
rigidez dielétrica do ar é quebrada em um dado local na atmosfera, e essa 
quebra é dada pelo campo elétrico gerado por uma nuvem eletricamente 
carregada, que já mencionamos, ou seja, nosso capacitor, e que iremos 
comentar com maior profundidade mais adiante. Com o rompimento do 
isolamento do ar, se inicia uma “avalanche” de elétrons de uma região de 
cargas negativas para uma região de cargas positivas. 
Tem-se então, no caso usual, uma nuvem com a base negativa sobre 
um terreno plano. O potencial desta nuvem é muito mais negativo do que o 
da terra abaixo dela, então os elétrons serão acelerados na direção da terra. 
Assim, tudo começa com um clarão chamado “degrau guia” ou “líder 
escalonado”, que se inicia na nuvem e se move para baixo muito 
rapidamente (a um sexto da velocidade da luz!). Este clarão percorre 
aproximadamente 50 metros e para, permanece parado por 
aproximadamente 50 microssegundos, e percorre mais 50 metros, ou seja, 
um novo degrau. Ele se move numa série de degraus em direção a terra, ao 
longo de um caminho, como mostrado na figura abaixo: 
 
 
38 
 
Neste guia existem cargas negativas provenientes da nuvem, toda a 
coluna esta repleta de cargas negativas, além disso, o ar se torna ionizado 
pelas cargas rápidas que produzem o guia, então o ar se torna um condutor 
através do caminho traçado. No momento em que o guia toca o chão, temos 
um “fio” condutor negativamente carregado que percorre todo o caminho 
até a nuvem. Os elétrons na base do guia se amontoam, deixando para trás 
as cargas positivas que atraem mais cargas negativas da parte superior do 
guia, as quais caem sobre ele, e assim sucessivamente. Finalmente, todas as 
cargas numa parte da nuvem correm pela coluna de uma forma rápida e 
energética. 
Então o relâmpago que vemos corre para cima a partir do chão, como 
vemos na figura acima da parte (c). Na verdade, este raio é muito mais 
brilhante do que o degrau guia, e é chamado de “descarga conectante” ou 
“raio de retorno”. Este raio produz luz extremamente brilhante e libera 
calor, e ainda é responsável pela rápida expansão do ar que gera o trovão. 
A corrente em um relâmpago tem um máximo da ordem de 10000 A, e 
carga de aproximadamente 20 C. 
 
39 
 
9. Modelização 
 
O fenômeno do raio será modelizado como a descarga em um 
capacitor cujos campos elétricos das placas sejam tal que vença a constante 
do dielétrico. Esta modelização é possível devido às grandes dimensões 
envolvidas nos fenômenos atmosféricos, sendo desconsideradas assim, a 
interferência das bordas das superfícies consideradas as placas dos 
capacitores no fenômeno, ou seja, a interferência da eletrização dos 
extremos horizontais das nuvens. 
 
 
 
As Cumulonimbus são as nuvens que geram tempestades, cuja 
atuação é limitada a um diâmetro entre 5 e 25 milhas, ou seja, 8 a 39 km, e 
cuja altura pode se estender além de 17km. Portanto tem-se a base da 
nuvem como um quadrado de lados 30 km, e sua área de atuação na 
superfície da Terra idem. Assim, as placas do capacitor têm uma área de 90 
km². A distância entre as placas, ou seja, entre a base da nuvem e a 
superfície da Terra considerada é de 6 km. O tempo da descarga pode ser 
medido pelo campo elétrico produzido pelo momento de dipolo da nuvem, 
longe desta. 
40 
 
Quando é iniciada a separação de cargas, campos elétricos muito 
intensos se desenvolvem, e nesta região, pode haver regiões onde o ar se 
torne ionizado. 
Nesta etapa não são levadas em conta as teorias de eletrização da 
nuvem. Portanto, o tratamento será na situação limítrofe para a descarga 
entre as placas do capacitor, ou seja, o raio. Pode-se considerar o campo 
elétrico uniforme entre as superfícies consideradas como placas porque não 
há pontos preferenciais para acúmulo de carga. 
Será desconsiderada também a força atrativa entre as “placas” do 
capacitor. Por mais que este acúmulo não seja completamente uniforme no 
tempo, pode-se assim considera-lo, estatisticamente, para o tratamento da 
situação estudada. Desta forma, trata-se a base da nuvem e a superfície da 
Terra como placas do capacitor, a primeira carregada negativamente 
conforme o mostrado pelas teorias de eletrização e a segunda carregada 
positivamente por indução. 
 Deve ser lembrado que ao aproximar cargas de mesmo sinal, estas se 
repelem, assim conforme a base da nuvem vai ficando carregada, elas 
repelem as cargas negativas da superfície da Terra, ou seja, esta vai ficando 
carregada positivamente. Ainda lembrando que a consideração é da 
ocorrência apenas na placa sob a nuvem, ou seja, numa área de 90 km². 
 O tratamento do campo elétrico gerado pelas cargas em ambas as 
“placas” será o mesmo, pois a placa em uma é induzida pela outra, então, a 
quantidade de cargas será a mesma e usa-se o Princípio de Superposição 
para estabelecer qual o Campo Elétrico gerado (pois temos mais de uma 
carga). 
 
Princípio de Superposição 
 “Os efeitos das interações entre as cargas se superpõe, ou seja, a 
força eletrostática que atua sobre cada uma é a resultante (soma vetorial) de 
41 
 
suas interações com todas as demais cargas, obtidas aplicando a cada par a 
lei de Coulomb”. 
 
 ⃗ ∑ ( )⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗
 
 
 
 
∑
 
( ) 
 ̂ 
 
 
Sendo, ( ). 
Para escrever o Campo Elétrico então, pelo mesmo Princípio, tem-se: 
 ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ 
 
 ⃗⃗⃗⃗ 
 
 
∑
 
( ) 
 ̂ 
 
 
 
 ⃗⃗⃗⃗ 
 
 
∑
 
( ) 
 ̂ 
 
 
 
 
Como é tabelado, através de medições, o tempo de um raio, ou seja, o 
tempo de descarga de elétrons igual a 6 ms, e a corrente média de um raio 
como 1000 A, pode-se calcular quantas cargas estão em trânsito neste caso, 
através de 
 
 
 
 
 ou 
 
 
 
 
Lembrando que pois , então 
em um raio são transferidos 
da base da nuvem para a Terra. 
Como este número de elétrons pode ser considerado o mesmo que gerava o 
campo elétrico na placa do capacitor com carga negativa (base da nuvem), 
42 
 
fica fácil indicar qual era este campo e a diferença de potencial que levaram 
à descarga. 
Vê-se também que, considerando que ocorra apenas um raio em toda área 
da tempestade por vez, a corrente superficial é de: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Outra propriedade do capacitor será a carga superficial, dada por: 
 
 
 
 
 
Ou seja, o campo também pode ser escrito como: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
∑
 
( ) 
 ̂ 
 
 
 
 
É necessário explicitar que: 
 
 
∑
 
( ) 
 ̂ 
 
 
 
dá o Campo Elétrico para uma esfera, ou seja, para calcular o Campo 
Elétrico para uma placa quadrada o somatório será: 
 
 
 
∑
 
( ) 
 ̂ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
onde A agora é a área da placa (A = d²). 
Tendo isto calcula-se a diferença de potencial (V), que está entre 20 e 100 
milhões de Volts durante a tempestade. 
43 
 
Sabemos que V é definido por: 
 
 ( ) ∫ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Onde r é a distância entre asuperfície da Terra e da nuvem. Como 
supracitado, esta distância de 6 km de altura. Por falta de dados tabelados 
para a constante dielétrica do ar úmido, usaremos a constante dielétrica do 
ar (seco) a 1 atm, que é 
 
 
. 
 Com isso, considerando a distância entre as placas do capacitor fixa 
em 6 km, e sabendo que a diferença de potencial é variável entre 20 e 100 
milhões de Volts, calcula-se o máximo e o mínimo do campo elétrico, e 
consequentemente, da carga. 
 ( ) 
 
 
 
 
Para o valor mínimo de 20 milhões de Volts para o Potencial Elétrico tem-
se, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para o valor máximo de 100 milhões de Volts, tem-se, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Agora, considerando a relação abaixo: 
 
 
 
 
44 
 
Ou seja, 
 
 
 
 
Assim, os valores máximos e mínimos para carga serão dados pela relação: 
 
 
 
Portanto, os valores máximos e mínimos para a carga serão: 
 
 ( 
 
 
) ( ) ( 
 
 
)
 
 
 ( 
 
 
) ( ) ( 
 
 
)
 
 
Fica claro então que, 
 
 
 
 
 
 
 
Assim, o número mínimo de elétrons para a carga mínima é de: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A capacitância das placas é: 
45 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Como o ar e o interior da nuvem podem ser aproximados por um dielétrico, 
e o espaço entre as “placas” está totalmente tomado por dielétricos, então 
deve-se considerar que a capacitância do capacitor será aumentada por um 
termo k de acordo com: 
 
Onde k = fator de aumento da capacitância do capacitor de acordo com o 
meio. Para o vácuo k = 1 e para ar a 1atm e 20°C, k = 1,00059, ou seja, 
 . 
Por que C aumenta? Considerando que tenhamos as cargas nas placas 
iguais a: 
 
 
 
 
onde a capacitância já está aumentada pelo preenchimento do capacitor 
com o dielétrico. 
Assim, como a voltagem (diferença de potencial) é dada por: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Então, 
 
 
 
 
 
 
. 
 
46 
 
10. Considerações Finais 
Neste trabalho foi mostrado como pegar uma situação típica do nosso 
cotidiano, neste caso os raios e sua formação, e trata-la de forma cientifica 
e conceitual. Para isso foram utilizados conceitos, previamente já 
conhecidos, e também da formação de um modelo, a partir de outros. 
Mostra-se então, que mesmo parecendo algo complicado de se 
entender, os raios nada mais são do que descargas provenientes do 
capacitor (nuvem). Sendo assim, pode-se compreendê-los melhor, e ficar 
cientes de suas proporções, tanto de carga elétrica, quanto de sua corrente e 
também sua voltagem. Esses valores são de grande proporção, e por isso os 
raios causam grande devastação por onde passam, além de serem 
totalmente visuais e encantarem por causa disso. 
Na modelização foram utilizadas simplificações, por trás das quais 
há significados e também conceitos. Estes, que não foram apenas 
abandonados, mas sim desconsiderados, para ser dado um enfoque mais 
direcionado. 
Buscou-se, também, evidenciar a importância do comportamento 
investigador, que levou a um processo de decisão na construção do modelo 
e em sua conceituação. Na verdade é importante que o professor busque 
problematizar o tema abordado em sala de aula, visando a formação e a 
construção do conhecimento. 
O tema aqui abordado pode ser trabalhado em sala de aula, fazendo-
se uma transposição didática, para o caso do Ensino Médio. Cabe então, ao 
professor e demais interessados, tratar o tema da melhor forma possível, 
aqui foi dada apenas uma sugestão de como pode-se trabalhar os raios, 
fenômeno tão presente no dia-a-dia vidas, de uma forma conceitual, e 
fazendo com que a Física esteja realmente envolvida na compreensão do 
cotidiano. 
 
47 
 
11. Referências Bibliográficas 
[1] WALLACE, John M; HOBBS, Peter V. Atmospheric Science – An 
Introduction Survey. University of Washington. Academic Press. 1977 
[2] FERREIRA, Arthur G. Meteorologia na Prática. Oficina de Textos, 
2010, 2° reimpressão, 1ª edição. 
[3]WALKER, Jearl. Circo Voador da Física. Cleveland State University, 
2008, 2ª edição. 
[4] NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de Física Básica, vol. 3 - 
Eletromagnetismo. 1ª edição – São Paulo: Editora Blücher, 1997. 
[5] Feynmann, Richard P.; Leighton, Robert B.; Sands, Matthew. Lições de 
Física de Feynmann, vol. 2. 2ª edição – São Paulo: Editora Artmed, 2008. 
[6] Saba, Marcelo M. F. A Física das Tempestades e dos Raios, vol. 2, nº 
1. 2001. 
[7] Celestino Silva, Cibelle; Pimentel, Ana Carolina. Benjamin Franklin e 
a Historia da eletricidade nos livros didáticos. X Encontro de Pesquisa 
em Ensino de Fisica, 2006. 
[8] Albretch, Rachel I. Eletrificação das Nuvens. Congresso Brasileiro de 
Meteorologia), de 23 a 31 de outubro 2012, Rio de Janeiro, RJ 
[9] Gripp da Silveira , Sérgio Wagner. Um estudo sobre os dispositivos de 
localização de descargas atmosféricas. Monografia do curso de 
especialização em Física Básica Aplicada. Orientador: Prof. Dr. Moacir 
Lacerda. 
[10] Hamburger , Ernst W. O que é Física. 4ª edição, Editora Brasiliense. 
[11]<http://www.cptec.inpe.br/curiosidades/pt>. Acesso em: 11 de maio de 
2013. 
[12]<http://vivaomomentogeografico.blogspot.com.br/2013/01/a-evolucao-
da-atmosfera-terrestre.html> . Acesso em: 11 de maio de 2013. 
[13]<http://geografiaemassa.blogspot.com.br/2011/01/tipos-de-
nuvens.html>. Acesso em: 18 de maio de 2013. 
[14]<http://www.fcnoticias.com.br/eletrizacao-por-inducao-desenhos-
exercicios-explicacao-e-exemplos/>. Acesso em: 05 de junho de 2013. 
[15]<http://www.ced.ufsc.br/men5185/trabalhos/21_tempestades/Raios/pag
inas/raios.html>. Acesso em: 01 de julho de 2013. 
[16]<http://pt.wikipedia.org/wiki/Nuvem#Constitui.C3.A7.C3.A3o_das_nu
vens>. Acesso em 08 de julho de 2013. 
[17]<http://geofisica.fc.ul.pt/informacoes/curiosidades/nuvens.html>. 
Acesso em: 18 de julho de 2013. 
[18]< http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap6/cap6-2-2.html>. Acesso 
em: 23 de julho de 2013. 
[19]<www.master.iag.usp.br/ensino/Sinotica/MONOG/MARIAEUG_T.do
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