[:pb]Tempestade de 1 bilhão de volts é descoberta com telescópio de múons (V.2, N.5, P.2, 2019)[:es]Tormenta de 1.000 millones de voltios es descubierta con telescopio de muones (V.2, N.5, P.2, 2019)[:]

Tempo de leitura: 8 minutos

[:pb]

#acessibilidade Fotografia por Mike Lehmann de um relâmpago sobre uma cidade da Suíça, 4 de Março de 2007.

A todo instante ocorrem cerca de 2.000 tempestades, produzindo, aproximadamente, 100 relâmpagos por segundo que atingem algum lugar da superfície da Terra. A maioria das tempestades de raios acontecem nas zonas tropicais e o Brasil é tido como o país de maior incidência de raios no mundo, atingindo a marca de 100 milhões de raios por ano. No início da história da Terra, houve um período de maior intensidade: durante a era Hadeana (entre 4 e 4,6 bilhões de anos atrás), após a crosta terrestre se solidificar, a água começou a acumular-se nos oceanos e na atmosfera e uma tempestade de escala planetária — o verdadeiro dilúvio — irrompeu em toda a atmosfera primordial, durando vários milhões de anos. Acredita-se que foram os relâmpagos desta supertempestade a fonte de energia para as reações químicas que levaram à formação dos primeiros aminoácidos e da vida em nosso planeta.

As antigas civilizações davam explicações sobrenaturais para os relâmpagos e trovões. Na mitologia grega, os raios eram a arma de Zeus, o deus dos deuses, e Pégasus, o cavalo alado, o seu portador. Na mitologia hindu, Indra era o deus dos relâmpagos, trovões e do céu. Na mitologia nórdica, o deus do trovão era Thor, que enviava raios arremessando o seu martelo mijöllnir e este depois retornava para suas mãos como um bumerangue. Para alguns nativos da América do Norte, os trovões e os raios eram criados por um petrel mitológico, o “pássaro-trovão” que produzia trovões ao bater as asas e relâmpagos ao piscar os olhos.

Já o primeiro cientista a dar uma explicação racional para os raios — e sua conexão com a eletricidade — foi Benjamin Franklin (1706-1790), cientista, jornalista, diplomata e inventor americano que conduziu uma série de experimentos, como o célebre e perigoso experimento da pipa de 1752, que, entre outros feitos, o levou à invenção dos para-raios. Após observar as similaridades entre as faíscas e os raios: ambos produzem luz, sons de estalos e seguem trajetórias em ziguezague; Franklin concluiu que os raios eram nada mais nada menos que enormes faíscas produzidas na atmosfera pelas nuvens de tempestade.

Os raios podem ser classificados em nuvem-solo, solo-nuvem, nuvem-céu (ou nuvem-ar) ou nuvem-nuvem, de acordo com os seus pontos de produção e de término, ou, ainda, em raios positivos ou negativos, de acordo com a polaridade das cargas que são transferidas. Dentre as razões para o surgimento das cargas elétricas estão as ionizações das moléculas do ar causadas por radiações de elementos radioativos, pelos raios ultravioletas do Sol, ou pelos raios cósmicos. Tipicamente, cargas positivas acumulam-se entre 6 e 7 km e as negativas entre 3 e 4 km de altitude, de tal forma que a diferença de potencial entre a parte positiva e a negativa da nuvem atinge a casa das centenas de milhões de volts. No ano de 1925, o físico e meteorologista escocês Charles T. R. Wilson (1869-1959), que realizou diversos estudos sobre eletricidade atmosférica e sobre ionizações do ar, já previra que estas tensões poderiam atingir escalas de bilhões de volts em nuvens de tempestade com vários quilômetros de altura. Entretanto, sua previsão nunca havia sido testada porque os balões e os aviões usados em tais medidas não são capazes de medi-las em escalas tão longas.

De fato, foi com um balão meteorológico que, em 1984, foi medida, numa tempestade sobre o Novo México (EUA), a tensão até então recorde de 130 MV (megavolts, ou milhões de volts). Mas, agora, uma equipe de físicos indianos e japoneses utilizaram o experimento GRAPES-3, um telescópio de múons do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental, em Mumbai (Índia), para medir as tensões entre nuvens inteiras. Múons são partículas geradas na atmosfera nas interações dos raios cósmicos; são carregados (μ+ ou μ–) e, portanto, acelerados em campos elétricos. Assim, menos múons devem ser detectados pelo GRAPES-3 quando nuvens de tempestade estiverem próximas, o que a equipe verificou ao estudar 184 tempestades ao longo de três anos. Usando este modelo para interpretar as medidas do fluxo de múons, eles inferiram uma voltagem 10 vezes maior: de 1,3 GV (gigavolts, ou bilhões de volts), durante uma tempestade, em dezembro de 2014, confirmando a previsão de Wilson e estabelecendo o novo recorde de tensões atmosféricas.

#acessibilidade O telescópio de múons GRAPES-3, do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental, em Mumbai (Índia)

Com isto, um outro misterioso fenômeno ganhou uma explicação. Cientistas japoneses descobriram recentemente que pulsos eletromagnéticos de alta energia (raios gama com energias superiores a 10 mega elétrons-volt) precediam a emissão de relâmpagos. De acordo com seus cálculos, as tensões atmosféricas, observadas anteriormente, não seriam capazes de produzir as acelerações capazes de gerar estas radiações, somente raios gama de energia menor ou raios-X, mas a tensão medida na tempestade de 2014 pelo GRAPES-3 é suficientemente grande para gerar os raios gama de alta energia. Os pesquisadores do GRAPES-3 planejam agora instalar detectores de raios gama, permitindo-lhes captá-los em coincidência com as tempestades de escala de gigavolt.

O estudo foi publicado na Physical Review Letters.

Fontes:

Fonte da imagem destacada: Mike Lehmann, Mike Switzerland 13:43, 4 March 2007 (UTC) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

Fonte da imagem 1: Website do GRAPES-3

Vernon Cooray, An Introduction to Lightning, Springer (2015);

https://super.abril.com.br/comportamento/brasil-o-pais-dos-100-milhoes-de-raios/

http://www.inpe.br/webelat/homepage/menu/el.atm/os.raios.e.a.origem.da.vida.php

https://en.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Franklin

https://tempojoaopessoa.jimdo.com/raios/tipos-de-raios/

http://www.fisica.net/eletricidade/eletricidade-na-atmosfera.php

https://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Thomson_Rees_Wilson

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1029/2000JD900640

https://www.vifindia.org/print/6000?slide=%24slideshow%24

http://grapes-3.tifr.res.in/index.html

https://physicsworld.com/a/japanese-team-sees-gamma-ray-pulse-before-lightning-flash/

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.105101

https://physicsworld.com/a/billion-volt-thunderstorm-studied-using-muons/

[:es]

#accesibilidad Fotografía de Mike Lehmann de un rayo sobre una ciudad suiza, 4 de marzo de 2007.

A cada instante ocurren cerca de 2.000 tempestades, produciendo, aproximadamente, 100 relámpagos por segundo que alcanzan algún lugar de la superficie de la Tierra. La mayoría de las tormentas de rayos ocurren en las zonas tropicales y Brasil es considerado el país de mayor incidencia de rayos en el mundo, alcanzando la marca de 100 millones de rayos al año. En el inicio de la historia de la Tierra, hubo un período de mayor intensidad: durante la era Hadeana (entre 4 y 4,6 mil millones de años atrás), después de que la corteza terrestre se solidificase, el agua comenzó a acumularse en los océanos y la atmósfera, y una tempestad de escala planetaria — el verdadero diluvio — irrumpió en toda la atmósfera primordial, durando varios millones de años. Se cree que fueron los relámpagos de esta supertempestad la fuente de energía para las reacciones químicas que llevaron a la formación de los primeros aminoácidos y de la vida en nuestro planeta.

Las antiguas civilizaciones daban explicaciones sobrenaturales para los relámpagos y los truenos. En la mitología griega, los rayos eran el arma de Zeus, el dios de los dioses, y Pegasus, el caballo alado, su portador. En la mitología hindú, Indra era el dios de los relámpagos, los truenos y el cielo. En la mitología nórdica, el dios del trueno era Thor, que enviaba rayos arrojando su martillo mijöllnir y éste después regresaba a sus manos como un bumerán. Para algunos nativos de América del Norte, los truenos y los rayos eran creados por un petrel mitológico, el “pájaro-trueno” que producía truenos al golpear las alas y relámpagos al parpadear los ojos.

El primer científico que dio una explicación racional para los rayos — y su conexión con la electricidad — fue Benjamin Franklin (1706-1790), científico, periodista, diplomático e inventor estadounidense que condujo una serie de experimentos, como el célebre y peligroso experimento de la pipa de 1752, que, entre otros hechos, lo llevó a la invención de los para-rayos. Después de observar las semejanzas entre las chispas y los rayos: ambos producen luz, sonidos de estallidos y siguen trayectorias en zigzag; Franklin concluyó que los rayos eran nada menos que enormes chispas producidas en la atmósfera por las nubes de tempestad.

Los rayos pueden ser clasificados en nube-suelo, suelo-nube, nube-cielo (o nube-aire) o nube-nube, de acuerdo con sus puntos de producción y de término, o, aún, en rayos positivos o negativos, de acuerdo con la polaridad de las cargas que se transfieren. Entre las razones para el surgimiento de las cargas eléctricas están las ionizaciones de las moléculas del aire causadas por radiaciones de elementos radiactivos, por los rayos ultravioleta del Sol, o por los rayos cósmicos. Típicamente, las cargas positivas se acumulan entre 6 y 7 km y las negativas entre 3 y 4 km de altitud, de tal forma que la diferencia de potencial entre la parte positiva y la negativa de la nube alcanza la casa de los cientos de millones de voltios. En el año 1925, el físico y meteorólogo escocés Charles TR Wilson (1869-1959), que realizó diversos estudios sobre electricidad atmosférica y sobre ionizaciones del aire, ya predijo que estas tensiones podrían alcanzar escalas de miles de millones de voltios en nubes de tormenta con varios kilómetros de altura. Sin embargo, su previsión nunca había sido probada porque los globos y los aviones usados en tales medidas no son capaces de medirlas en escalas tan largas.

De hecho, fue con un globo meteorológico que, en 1984, fue medida, en una tormenta sobre Nuevo México (EEUU), la tensión hasta entonces récord de 130 MV (megavolts, o millones de voltios). Pero ahora, un equipo de físicos indios y japoneses utilizó el experimento GRAPES-3, un telescopio de muones del Instituto Tata de Investigación Fundamental, en Mumbai (India), para medir las tensiones entre nubes enteras. Múons son partículas generadas en la atmósfera en las interacciones de los rayos cósmicos; se cargan (μ+ o μ-) y, por lo tanto, se aceleran en campos eléctricos. Así, menos muones deben ser detectados por el GRAPES-3 cuando las nubes de tormenta están cerca, lo que fue verificado por el equipo al estudiar 184 tormentas a lo largo de tres años. Usando este modelo para interpretar las medidas del flujo de los muones, se dedujo un voltaje 10 veces mayor: de 1,3 GV (gigavolts, o miles de millones de voltios), durante una tormenta, en diciembre de 2014, confirmando la previsión de Wilson y estableciendo el nuevo récord de tensiones atmosféricas.

#accesibilidad El telescopio de muones GRAPES-3 del Instituto Tata para la Investigación Fundamental en Mumbai (India)

Con esto, otro misterioso fenómeno ganó una explicación. Científicos japoneses descubrieron recientemente que pulsos electromagnéticos de alta energía (rayos gamma con energías superiores a 10 mega electrones-voltios) precedían a la emisión de relámpagos. De acuerdo con sus cálculos, las tensiones atmosféricas, observadas anteriormente, no serían capaces de producir las aceleraciones capaces de generar estas radiaciones, solamente rayos gamma de energía menor o rayos X, pero la tensión medida en la tempestad de 2014 por el GRAPES-3 es lo suficientemente grande para generar los rayos gamma de alta energía. Los investigadores del GRAPES-3 planean ahora instalar detectores de rayos gamma, permitiéndoles captarlos en coincidencia con las tormentas de escala de gigavolt.

El estudio fue publicado en Physical Review Letters.

Fuentes:

Fuente de la imagen destacada: Mike Lehmann, Mike Switzerland 13:43, 4 March 2007 (UTC) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

Fuente de la imagen 1: sitio del GRAPES-3