Estudo do Inpe explica como se formam os raios ‘invertidos’

Segundo artigo publicado na revista Scientific Reports, descargas elétricas descendentes com carga positiva podem induzir a ocorrência de raios ascendentes, que partem de estruturas altas, como torres, em direção às nuvens

Elton Alisson  |  Agência FAPESP – Um tipo de raio “invertido”, que em vez de descer das nuvens e tocar o solo, como ocorre com a maioria das descargas elétricas, parte de uma estrutura alta na superfície e se propaga em direção às nuvens, começou a ser observado no Brasil nos últimos anos.

Responsáveis pelos primeiros registros do fenômeno no país, pesquisadores do Grupo de Eletricidade Atmosférica (Elat) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe) conseguiram desvendar, agora, os mecanismos envolvidos na formação desses chamados raios ascendentes.

O estudo, resultado de um projeto apoiado pela FAPESP, teve resultados publicados na revista Scientific Reports.

A investigação foi conduzida durante o doutorado de Carina Schumann, no Inpe, com bolsa da FAPESP.

“Constatamos que os raios ascendentes são iniciados a partir da ponta de uma torre ou para-raios de um edifício alto, por exemplo, na sequência de um raio descendente [para baixo] e a uma distância de até 60 quilômetros”, disse Marcelo Magalhães Fares Saba, pesquisador do Inpe e coordenador do projeto, à Agência FAPESP.

Para chegar a essas conclusões, o grupo observou e registrou 110 raios ascendentes ocorridos durante tempestades de verão no Pico do Jaraguá, em São Paulo, e em Dakota do Sul, nos Estados Unidos, entre 2011 e 2016.

Para isso, usaram uma combinação de câmeras fotográficas digitais e de vídeo de alta velocidade – capazes de registrar de 10 a 40 mil imagens por segundo –, além de medidores de campo elétrico e de luminosidade e uma câmera de ultra-alta velocidade, que registra até 100 mil imagens por segundo.

As câmeras com essas velocidades de aquisição de imagens são necessárias para esse tipo de estudo porque o tempo que leva para ocorrer um raio “para baixo” e outro “para cima” é muito pequeno, da ordem de centenas de milissegundos. Sem câmeras com essas velocidades é impossível distingui-los, explicou Saba.

“Não seria possível fazer essa série de observações de raios ascendentes, em um número suficiente para entender como começam, sem o auxílio dessas câmeras de alta e ultra-alta velocidades”, disse.

Os resultados das análises, juntamente com dados de sistema de medição de campo elétrico, indicaram que são os raios descendentes positivos – que deixam um saldo de carga negativa na nuvem – que frequentemente iniciam raios ascendentes.

Esses raios descendentes positivos costumam ocorrer no final da tempestade. Logo após o contato da descarga com o solo, eles costumam apresentar uma corrente de longa duração e baixa intensidade.

Essa corrente produz uma perturbação forte e rápida na sua distribuição de cargas na nuvem de tempestade. É essa perturbação que normalmente gera condições para a iniciação do raio ascendente, observaram os pesquisadores.

“Os raios positivos descendentes produzem, dentro da nuvem, descargas negativas com extensão horizontal de muitos quilômetros. Essas descargas negativas podem passar por cima de torres altas e induzirem cargas positivas em suas pontas. Se a intensidade de carga elétrica induzida for suficiente podem surgir, das pontas das torres, descargas ascendentes que formam os raios ‘para cima’”, disse Saba.

O Pico do Jaraguá é o segundo lugar com maior número de registros de raios ascendentes no mundo, atrás apenas de uma localidade nos Alpes Suíços.

Ponto culminante da cidade de São Paulo, a 1.135 metros acima do nível do mar, o Jaraguá registra, em média, entre 30 e 40 raios ascendentes por ano, em maior parte no verão, mas também no inverno, quando há frentes frias, afirmou Saba.

“Já registramos a ocorrência de raios ascendentes no Pico do Jaraguá no inverno. Mas são mais frequentes na transição da primavera para o verão e do verão para o outono”, disse.

Danos às estruturas

De acordo com os pesquisadores, raios descendentes são muito mais comuns do que os ascendentes e ambos têm a mesma intensidade. Os raios ascendentes, porém, costumam ter duração 40% maior e, felizmente, não apresentam risco de atingir humanos, pois são originados na ponta das torres.

Mas, enquanto o impacto de um raio descendente é mais distribuído, uma vez que em metade dos casos uma mesma descarga toca pontos diferentes no solo, o de um raio ascendente é mais localizado, na ponta das estruturas altas, que podem sofrer danos.

“Temos observado que estruturas com mais de 70 metros são sujeitas a gerar raios ascendentes”, disse Saba.

Com a tendência de construção de torres e prédios cada vez mais altos em cidades como São Paulo, a ocorrência desse tipo de raio tende a aumentar, ponderou o pesquisador.

“Os raios ascendentes não existiriam sem a presença de estruturas altas”, disse.

Os pesquisadores estão avaliando, agora, como um para-raios responde a um raio descendente, uma vez que, assim que esse tipo de raio se aproxima, a estrutura lança para o alto uma descarga para conectá-la a ele.

“Isso pode ser importante para definir a área de proteção de um para-raio, por exemplo”, disse Saba.

O artigo On the triggering mechanisms of upward lightning (DOI: 10.1038/s41598-019-46122-x), de Carina Schumann, Marcelo M. F. Saba, Tom A. Warner, Marco A. S. Ferro, John H. Helsdon Jr., Ron Thomas e Richard E. Orville, pode ser lido na revista Scientific Reports em www.nature.com/articles/s41598-019-46122-x.