Fisica de relâmpagos Aula - 09€¦ · (a) Composite image of 41 selected frames (from −123 to...
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Fisica de relâmpagos
Aula - 09
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Scholand e seus colegas da África do Sul foram os
pioneiros a realizar medidas simultâneas dos processos
de um relâmpago, ou seja, eles fotografaram e mediram
o campo elétrico de um raio em 1934.
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(a) Composite image of 41 selected
frames (from −123 to 9.8 ms) showing
the bidirectional leader, another floating
channel, and channel to ground. The
high-speed video record started at
−178 ms. (b–c) Low-gain and high-gain
electric field records (from −98 to
12 ms), respectively. No electric fields
were recorded prior to −98 ms. The
right, negative end turned toward
ground, likely due to the presence of
positive charge between 4.1 and 2.7 km
AGL. The left, positive end of the
bidirectional leader made contact with
another floating channel (the junction
point is labeled in (a) and the electric
field signature of the connection
process is seen in (c)) prior to the right
end’s making contact with the ground.
Note that some leader branches kept
extending to the right after the return
stroke onset. Individual-frame and
composite images of the rectangular
area seen in the upper-left corner of (a)
that show important features of the
bidirectional leader development are
presented in Fig. 2.
Tran, M. D. e Rakov, V. A., 2016. Initiation
and propagation of cloud-to-ground lightning
observed with a high-speed video camera,
Scientific Reports.
https://doi.org/10.1038/srep39521
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No processo inicial de um relâmpago foi observado:
a) O raio descia em passos curtos e parava;
b) Após um intervalo de tempo pequeno (~ < 1 μs) um
novo raio se propagava para baixo e utilizava o
mesmo caminho do raio anterior, e assim se estendia
mais um pouco.
c) Este processo continuava até o raio chegar no chão.
Este tipo de raio é conhecido como “stepped leader” ou
líder escalonado (passos de ~50-100 m, o tamanho é
~ V/750, onde V é o potencia kV/m ).
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Tran, M. D. e Rakov, V. A., 2016. Initiation
and propagation of cloud-to-ground lightning
observed with a high-speed video camera,
Scientific Reports.
https://doi.org/10.1038/srep39521
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As ramificações ocorriam, mas não chegavam ao chão.
A medida que o raio líder escalonado se aproxima do
chão (~ 5 – 50 m), um raio se propaga do chão para o
raio (raio conectante).
Quando o raio conectante se conecta ao líder
escalonado, temos a formação da descarga de retorno
que é bem mais luminoso, e é também conhecido
como “return stroke”.
https://www.weather.gov/jetstream/lightning_max
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Analisando a Figura 75, observamos que o campo elétrico
diminui a medida que o líder escalonado se aproxima do
chão, enquanto que o campo elétrico aumenta se
estivermos a uma distância grande. Quando o raio líder se
conecta ao chão e temos uma descarga de retorno o campo
elétrico aumenta rapidamente para valores positivos.
Esta configuração implica que
as cargas negativas são
transportadas para o chão
através do canal do líder
escalonado e as cargas
positivas são transportadas
para cima quando ocorre a
descarga de retorno.
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a) Caracteristicas dos relâmpagos ou flashes
“Flash” é uma definição utilizada para caracterizar um
evento de relâmpago formado pelo raio líder escalonado,
descarga de retorno e descargas sub-sequentes (dart-
leader). Sendo que em geral um flash pode ter várias
multiplicidades (uma descarga de retorno e várias
descargas sub-sequentes).
Mínimo Médio Máximo
Número de descargas 1 3 32
Intervalo de tempo
entre as descargas
(ms)
3 40 100
Duração do Flash (s) 0,02 0,2 2
Carga Transportada
(C)
3 25 90
: http://www.odec.ca/projects/2005/schu5s0/public_html/lightning.html
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Florida-EUA
Novo México - EUA
http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring13/atmo589/ATMO489_online/lec
ture_15/lect15_lightning_pt2.html
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b) Mecanismos de ruptura na atmosfera (“breakdown”)
Os raios tem comprimentos da ordem de vários
quilômetros. Se houver uma descarga da nuvem para a
terra, uma voltagem grande será necessária para ter a
ruptura.
Teorias sugerem que as
descargas do tipo nuvem
terra (NS ou CG) ocorrem
a partir de uma descarga
local na nuvem entre os
centros de cargas
positivo e negativo. Esta
descarga daria
mobilidade para o centro
de cargas negativo e para o movimento descendente.
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A partir de medidas de laboratório os seguintes fatos
foram observados:
i) O campo elétrico para a ruptura é da ordem de
300 kV/m para um campo uniforme em condições
atmosféricas de T e P de um sala (30ºC e 1000 mb).
Porém para um campo elétrico não uniforme o campo
elétrico é muito menor.
ii) os elétrons estão sempre presentes no ar devido aos
raios cósmicos e radioatividade natural.
Quando ocorre a ruptura, os elétrons
são acelerados a uma energia suficiente
para produzir a ionização através da
colisão com as moléculas do ar o que
acaba produzindo novos elétrons.
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átomos
elétrons
iii) quando os elétrons são produzidos por processos
primários, um segundo processo ocorre.
Dessa maneira, mais ionização é produzida através da
colisão de íons+ e prótons disponíveis no ar o que
desencadeia uma avalanche de elétrons durante a
ruptura do campo de intensidade.
Além desses processos são necessários também campos
de cargas de espaço que aumentam a condutividade da
região.
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c) Lider Escalonado
Existem 2 tipos: α e β
diâmetro do canal ~ 1-10 metros (estimado por fotografia)
corrente de vários amperes o que induz uma corona
muito luminosa
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d) Descarga de retorno
Quando a ponta do líder
escalonado que esta
carregado negativamente
chega ao chão, a carga
deste raio é transferida
rapidamente para o chão.
Canal do
lider
Negativo
Elétrons são
ejetados na
ponta da
ramificação
positiva
ramificação
positiva
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Canal do
lider
Negativo
Elétrons são
ejetados na
ponta da
ramificação
positiva
ramificação
positiva
No ponto B observa-se um
campo elétrico alto criado
pelos elétrons livres que se
propagam na ponta da raio
e avançam na descarga
positiva.
A medida que os elétrons se
movem a uma velocidade
alta, eles geram uma
avalanche de elétrons que
ionizam e aquecem o ar no
caminho e deixam para trás
um canal altamente
ionizado.
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Canal do
lider
Negativo
Elétrons são
ejetados na
ponta da
ramificação
positiva
ramificação
positiva
Como resultado, um fluxo de
cargas posivitiva se moverá
para cima a uma velocidade
alta apesar dos íons positivos
serem relativamente imóveis.
Desta forma, eles neutralizam
as cargas negativas na região
vaporizada e nas ramificações
do lider escalonado.
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Canal do
lider
Negativo
Elétrons são
ejetados na
ponta da
ramificação
positiva
ramificação
positiva
Durante a transferência de
cargas, uma energia
considerável sobre o núcleo é
adicionada, logo a temperatura
aumenta.
Análises espectrais indicam
que o núcleo pode chegar a
T ~ 30.000 K.
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Como consequencia, a pressão aumenta (a densidade
de massa não pode aumentar apreciavelmente). Logo
a pressão cinética do canal excede a pressão do ar.
Consequentemente, o canal expande a velocidades
super-sônicas, produzindo ondas de choque cilíndricas
as quais eventualmente produzem um trovão.
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Trigado-T
Natural-N
N1 = # de 1º Strokes
Ns = # de strokes
Subsequentes
Vel ~108 m/s
N = 1,2-1,5 x Vel Trigado
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e) Lider sub-sequente (Dart-Leader)
Se as cargas negativas não são transferidas
inteiramente durante uma descarga de retorno, o
líder sub-sequente tomará lugar e se propagará no
canal anterior do relâmpago a partir da nuvem para
o solo.
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http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring13/atmo
589/ATMO489_online/lecture_15/lect15_lightning_pt2.html
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Vel ~104 a 107 m/s
Canais horizontais e streamers
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Lider Escalonado
Vel ~105 a 107 m/s
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Dart Leader
Vel ~ 107 m/s
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National Geografic
https://www.youtube.com/watch?v=h-0gNl5f4BU