Por que raios se movemziguezague? Ciência desvenda o mistério:

Estas moléculas e elétrons acumulam-se para criar um degrau curto e altamente condutor, que se ilumina intensamente por um milionésimosegundo.

Ao final do degrau, existe uma pausa enquanto ocorre novamente o acúmulo, seguido por outro salto luminoso brilhante. O processo é repetido inúmeras vezes.

O aumento dos eventos meteorológicos extremos significa que a proteção contra raios é cada vez mais importante. Saber como se inicia a formação dos raios quer dizer que podemos descobrir como proteger melhor as construções, os aviões e as pessoas.

Além disso, embora o usocompostos ecológicos nas aeronaves aumente a eficiênciacombustível, eles aumentam o riscodanos causados pelos raios. Por isso, precisamos buscar maior proteção.

O que causa os raios?

Os raios acontecem quando as nuvens carregadas com potencial elétricomilhõesvolts são conectadas à terra.

Uma correntemilharesamperes flui entre a terra e o céu, com temperaturadezenasmilharesgraus.

Fotografiasraios revelam inúmeros detalhes não observados a olho nu. Normalmente, existem quatro ou cinco "líderes" fracos que saem da nuvem. Eles são ramificados e ziguezagueiamum trajeto irregulardireção à terra.

O primeiro desses líderes a atingir a terra inicia o raio. Os outros líderes são então extintos.

Cinquenta anos atrás, fotografiasalta velocidade revelaram ainda mais complexidade. Os líderes seguem da nuvem para baixo"degraus" com cerca50 metroscomprimento.

Cada degrau fica brilhante por um milionésimosegundo, mas depois existe escuridão quase completa. Depoisoutros 50 milionésimossegundo, forma-se um novo degrau, no final do anterior, mas os outros degraus permanecem escuros.

Por que existem esses degraus? O que acontece nos períodosescuridão entre os degraus? E como os degraus podem ser conectados eletricamente à nuvem sem conexão visível?

As respostas a essas questões residem na compreensão do que acontece quando um elétron carregadoenergia atinge uma moléculaoxigênio. Se o elétron tiver energia suficiente, ele agita a molécula, que fica no estado chamadodelta-singlete.

Trata-seum estado "metaestável", ou seja, ele não é perfeitamente estável, mas normalmente não cai para um estadoenergia inferior por cerca45 minutos.

O oxigênio nesse estado delta-singlete separa os elétrons (necessários para o fluxo da eletricidade)íonsoxigênio negativos. Esses íons são então substituídos quase imediatamente pelos elétrons (que carregam carga negativa), ligando-se novamente a moléculasoxigênio.

Quando mais1% do oxigênio do ar estiver no estado metaestável, o ar pode conduzir eletricidade. E os degraus dos raios ocorrem quando são criados estados metaestáveis suficientes para separar um número significativoelétrons.

Durante a parte escura do degrau, a densidade dos estados metaestáveis e dos elétrons aumenta. Após 50 milionésimossegundo, o degrau pode conduzir eletricidade — e o potencial elétrico na extremidade do degrau aumenta até aproximadamente o da nuvem, produzindo um novo degrau.

As moléculas agitadas criadas nos degraus anteriores formam uma coluna até a nuvem. Toda a coluna é então condutoraeletricidade, sem necessidadecampo elétrico e com pouca emissãoluz.

Como proteger as pessoas e as propriedades

A compreensão da formação dos raios é importante para os projetosproteção para os edifícios, as aeronaves e também para as pessoas. É raro que os raios atinjam pessoas, mas as construções são alvos frequentes, especialmente os prédios altos e isolados.

Quando um raio atinge uma árvore, a seiva no seu interior ferve e o vapor resultante cria pressão, rachando o tronco. Da mesma forma, quando o raio atinge um edifício, a água da chuva que se infiltrou no concreto entraebulição. A pressão pode fazer explodir um trecho do edifício, criando o riscodesabamento.

O para-raios inventado por Benjamin Franklin1752 é basicamente um fiocerca grosso fixado ao topoum prédio e conectado à terra. Ele é projetado para atrair os raios e conduzir para a terra a carga elétrica. Dirigindo o fluxo elétrico através do fio, ele evita que o edifício sofra danos.

Atualmente, o para-raiosFranklin é exigidoedifícios altos e igrejas, mas o que não se tem certeza équantos são necessárioscada estrutura.

Além disso, existem centenasestruturas não protegidas, incluindo as coberturasabrigos nos parques. Essas estruturas, muitas vezes, são feitasaço galvanizado altamente condutor, que atrai os raios, sustentado por postesmadeira.

Na Austrália, a nova versão dos padrões exigidos para proteção contra raios recomenda que esses abrigos sejam aterrados.

*John Lowke é professor e pesquisadorfísica da Universidade do Sul da Austrália

Este artigo foi publicado originalmente no sitenotícias acadêmicas The Conversation e republicado sob licença Creative Commons. Leia aqui a versão originalinglês.