A Eletricidade na Atmosfera - Feyman

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A Eletricidade na Atmosfera – Lições de Física – Richard Feynman – Volume II, Lição 9
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 que 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.
Existem os chamados “íons grandes”, que são pequenas partículas liberadas no ar, e os raios cósmicos que fornece o suprimento de elétrons para a atmosfera. 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.
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 (distância que os íons percorrem entre duas colisões).
Considerando toda a superfície da Terra, então temos uma corrente de cargas positivas total de cerca de 1.800 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?
Como falado acima, de onde vêm a enorme carga negativa existente na superfície terrestre? Dos raios! As tempestades são as baterias destas cargas. 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. 
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. O ar quente e úmido, esfria e condensa no topo da tempestade, pela diferença de temperatura dentro da nuvem o sistema é instável. Mesmo se fosse deixado termalizar (se igualar à temperatura ambiente) por longo tempo haveria sempre o sol brilhando (durante o dia) e a Terra reemitindo radiação.
O ar quente da superfície tende a subir, mas neste processo sua densidade cai, então, o ar esfriaria enquanto sobe, tornando a descer. Isto para o ar seco. Pois, para o ar úmido há um 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 graus celsius. 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. 
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. Este vento 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, que 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) (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.