ACA0330 Introdução à Eletricidade Atmosférica AULA 03 … · produzidos/induzidos por...

Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES 1

AULA 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES

ACA0330 – Introdução à Eletricidade Atmosférica

Revisão de Física de Nuvens

Distribuição bruta de carga elétrica nas tempestades

Teorias de carregamento

Teoria da Convecção

Teoria da Precipitação

Aula 03 – ESTRUTURA ELÉTRICA DAS TEMPESTADES

Receita para a formação de Tempestades

Ingredientes:

• Qual o ingrediente #1?

• Qual o ingrediente #2? .

REVISÃO DE FÍSICA DE NUVENS



Ingredientes:

• Vapor d’água

• Núcleos de Condensação de Nuvem (e.g., aerossóis)




Ingredientes:

• Vapor d’água


Instrumentos:

• Um mecanismo de levantamento de parcelas de ar: Quais?


??? ??? ??? ???



Ingredientes:

• Vapor d’água


Instrumentos:

• Um mecanismo de levantamento de parcelas de ar:



Fazer as

Nuvens (condensação do

vapor d’água)

Modo de preparar:

30oC

20oC

Exp

and

e e

res

fria

10oC UR ≥ 100%




1,5 km T = 10oC

Fazer partículas

de gelo (gotículas, gotas, granizo,

cristais de gelo)

Fazer as


vapor d’água)

Modo de preparar:



• Como as gotículas crescem inicialmente?


T = 0oC 4,5 km

1,5 km T = 10oC

Fazer partículas

de gelo (gotículas, gotas, granizo,

cristais de gelo)

Fazer as


vapor d’água)

Modo de preparar:



• Como as gotículas crescem até tamanhos grandes de gotas de chuva?


T = 0oC 4,5 km

1,5 km T = 10oC

T = -40oC 15 km

T = -60oC 20 km

Fazer as


vapor d’água)

Fazer partículas

de gelo -

-

Modo de preparar:



• Quais são as partículas de gelo dentro da nuvem?

• graupel ou granizo • pequenos cristais de gelo • neve


T = 0oC 4,5 km

1,5 km T = 10oC

T = -40oC 15 km

T = -60oC 20 km

Fazer as


vapor d’água)

Fazer partículas

de gelo -

-

Modo de preparar:



• Como é formado o graupel? • Como é formado o granizo?

+ =

+ =


T = 0oC 4,5 km

1,5 km T = 10oC

T = -40oC 15 km

T = -60oC 20 km

Fazer as


vapor d’água)

Fazer partículas

de gelo - cristais

- graupel e granizo

( ) + ( ) =

Modo de preparar:




T = 0oC 4,5 km

1,5 km T = 10oC

T = -40oC 15 km

T = -60oC 20 km

Fazer as


vapor d’água)

Fazer partículas

de gelo - cristais

- graupel e granizo

( ) + ( ) =

Modo de preparar:

Corrente ascendente




T = 0oC 4,5 km

1,5 km T = 10oC

T = -40oC 15 km

T = -60oC 20 km

Fazer as


vapor d’água)

Fazer partículas

de gelo - cristais

- graupel e granizo

( ) + ( ) =

Modo de preparar:

Corrente ascendente

Fazer a

eletrificação (colisões entre

partículas de gelo)

–

+

–

+




T = 0oC 4,5 km

1,5 km T = 10oC

T = -40oC 15 km

T = -60oC 20 km

Fazer as


vapor d’água)

Fazer partículas

de gelo - cristais

- graupel e granizo

( ) + ( ) =

Modo de preparar:

Corrente ascendente

Fazer a

eletrificação (colisões entre

partículas de gelo)

–

+




• RESUMO – PROCESSO DE INICIAÇÃO DE CHUVA EM NUVENS MISTAS (QUENTE E FRIAS):

0,1 1 10 100 1000 mm

T=0oC

Ativação de CCN

Crescimento por difusão de vapor

+ ||

Ativação de IN

Crescimento por difusão de vapor

Crescimento por difusão de vapor e colisão-coalescência

Crescimento por difusão de vapor, agregação, acreção e riming. Multiplicação (fragmentação).



• Guardem bem na memória o que existe dentro de uma nuvem cumulonimbus:

qu

en

te

f

rio

T = 0oC

T = -40oC

Vapor d’água

T = -60oC

4.5 km


Corrente ascendente



• Observações ao longo dos anos: – 1750-1800: cargas negativas dominam (Franklin, 1752)




– 1916-1930: especulações sobre dipólo elétrico (C. Wilson 1916, 1921, 1929)

• Medidas de variação do campo elétrico durante descargas elétricas

• Ganhou o Prêmio Nobel pela construção de câmara de nuvem

Williams E.R. (2010): Origin and context of C.T.R. Wilson's ideas on electron runaway in thunderclouds, J. Geophys. Space Phys., doi:10.1029/2009JA014581.

https://doi.org/10.1029/2009JA014581





– 1940-hoje: Observações de tripólos c/ balões



• Observações ao longo dos anos: – 1980: Centro negativo na mesma região de temperatura

(entre –10 e – 20oC)

Krehbiel, Paul R. (1986): The Electrical Structure of Thunderstorms. Ch. 8 in The Earth's Electrical Environment, National Academy Press, Washington. (link to Google Books)

https://books.google.fr/books?id=7j4rAAAAYAAJ&printsec=frontcover&dq=editions:ISBN0309036801





–10oC

–20oC



• Observações ao longo dos anos: – 1990-hoje: Múltiplos centros de carga que evoluem durante o ciclo de

vida da tempestade

Stolzenburg, M., W.D. Rust, and T.C. Marshall (1998): Electrical Structure in Thunderstorm Convective Regions 3. Synthesis. J. Geophys. Res., 103, 14097-14108. doi:10.1029/97JD03545

https://doi.org/10.1029/97JD03545

https://doi.org/10.1029/97JD03545

https://doi.org/10.1029/97JD03545




vida da tempestade


https://doi.org/10.1029/97JD03545

https://doi.org/10.1029/97JD03545

https://doi.org/10.1029/97JD03545


Courtesy of Ted Mansel (NOAA/NSSL) and Ken Cummins (Univ. of Arizona) https://youtu.be/iiRKzfU7Mhc

https://youtu.be/iiRKzfU7Mhc

https://youtu.be/iiRKzfU7Mhc


• Finalmente, as características típicas da estrutura elétrica de cargas em tempestades, são:

1) As cargas negativas usualmente se concentram na parte inferior das tempestades, tipicamente em – 20oC < T < –10oC.

2) As cargas positivas estão situadas tipicamente acima da região de carga negativa. Além disso, evidências experimentais suportam que se concentram também na região superior das tempestades e na bigorna (“anvil”).

3) Diferentes polaridades de carga podem existir ao longo de uma região.

4) Perfis verticais de Ez indicam mais do que 3 regiões de cargas (modelo tripólo).

5) Camadas de blindagem geralmente existem nas bordas das nuvens, em especial no topo das nuvens.

6) A maioria dos íons livres que são transportados para a base das nuvens, são produzidos/induzidos por corona/pontos de descarga tais como as árvores, a grama, as antenas e etc.

7) Em geral a chuva transporta cargas positivas para baixo da nuvem. As cargas de chuva próximas à superfície são afetadas significativamente pelos íons produzidos pelos pontos de descarga.




• Teorias de carregamento devem explicar as características elétricas das tempestades:

1) Duração elétrica (i.e., atividade de descargas) média de ~30 min para uma única célula convectiva;

2) Separação de cargas de vários milhões de Volts;

3) A carga elétrica deve estar concentrada entre -5 e -40oC com um raio de ~2km;

4) Ter estrutura tripolar, com a carga negativa centrada entre os níveis de -10 e -20oC;

5) Geração de cargas está associada ao processo de formação da precipitação;

6) Ter carga suficiente para haver uma descarga elétrica em ~20 minutos após o aparecimento de partículas da ordem de alguns milímetros.


• Teorias de eletrificação se dividem em duas grandes categorias:

i. Hipótese de carregamento por convecção;

ii. Processos de precipitação.



• Teoria da CONVECÇÃO (Grenet , 1947; Vonnegut, 1953, 1955): – Está intimamente ligada à dinâmica geral do desenvolvimento da

nuvem.


a) Um campo elétrico normal de tempo bom estabelece uma concentração de íons positivos na baixa troposfera.

Esses íons positivos são transportados para o interior da nuvem através das correntes ascendentes e são capturados pelos hidrometeoros, tornando a nuvem inicialmente carregada positivamente.



nuvem.


b) Conforme a nuvem cresce, ela penetra em níveis mais altos na troposfera, onde os íons livres tem maior mobilidade (i.e, condutividade do ar é nauir).

Esses íons são produzidos na ionosfera ou acima de 6 km de altura por radiação cósmica.

A nuvem em ascensão e positivamente carregada atrái preferencialmente os íons livres negativos, tornando o topo da nuvem negativamente carregado, também conhecido como camada de blindagem.



nuvem.


c) Os íons livres negativos da camada de blindagem são entranhados na lateral da nuvem e carregados para níveis mais baixos.

O fluxo de carga positiva continua através da corrente ascendente, o fluxo de íons negativos para o interior da nuvem também continua, até que o campo elétrico na parte mais baixa da nuvem se torna forte o suficiente para induzir íons por efeito de corona no solo, aumentando ainda mais o fluxo de carga positiva para dentro da base da nuvem e gerando um aumento exponencial da polaridade da nuvem.


• Teoria da CONVECÇÃO (Grenet , 1947; Vonnegut, 1953, 1955): – Porém, há 2 (duas) falhas nessa teoria:

1. o campo elétrico de tempo bom não consegue induzir uma quantidade de íons livres suficientes para intensificar o fluxo de íons positivos para o topo e de íons negativos para a base;

2. e não gera estrutura tripolar.



• Teoria da PRECIPITAÇÃO é baseada nos processos de formação da precipitação nas tempestades: – i.e., nas colisões entre os hidrometeoros!!!

– Julius Elster e Hans F. Geitel em 1885 (vide Fricke and Schlegel 2017)

• Para explicar o carregamento elétrico de hidrometoros por colisões entre eles, essa teoria exige: – Presença de um Campo Elétrico (pelo menos o de tempo-bom);

– Colisões devem ser repelidas (i.e, não podem se unir);

– Cargas devem ser segregadas de acordo com seus tamanhos ou temperatura no interior da nuvem (para formar uma estrutura tripolar);

– Transferência de cargas durante a colisão deve ser rápida;

– Todo o processo deve ser rápido o suficiente para gerar campo elétrico alto e raios em ~20 min.



• Ou seja, a teoria da precipitação associa a transferência de carga à formação dos hidrometeoros:

qu

en

te

f

rio

T = 0oC

T = -40oC

Vapor d’água

T = -60oC

4.5 km

Corrente ascendente



• Onde estão as isotermas de –10oC e –20oC? q

ue

nte

fri

o

T = 0oC

T = -40oC

Vapor d’água

T = -60oC

4.5 km

Corrente ascendente

T = -20oC

T = -10oC



• Logo, qual hidrometeoro está associado com a região de –20oC < T < –10oC?

qu

en

te

f

rio

T = 0oC

T = -40oC

Vapor d’água

T = -60oC

4.5 km

Corrente ascendente

T = -20oC

T = -10oC



• Então, considerando todas as possíveis colisões entre hidrometeoros:

– líquido colidindo com líquido coalescência (não há separação física)

– líquido colidindo com gelo riming/acresção (não há separação física)




– gelo colidindo com gelo pode haver agregação (neve, não há separação física)

– gelo colidindo com gelo pode haver separação física!



• E a diferença de tamanho entre os hidrometeoros sólidos garantem a separação gravitacional das cargas transferidas e pelo menos a formação de um dipólo:


T = 0oC 4,5 km

1,5 km T = 10oC

T = -40oC 15 km

T = -60oC 20 km

Corrente ascendente

– –10oC

–20oC

– –

– – –

+

+

+ +

+ +

+


NOVO SITE DA DISCIPLINA: https://sites.google.com/iag.usp.br/aca0330/

(deve estar logado na usa conta @*usp.br da Google)

/ / / /

/ / / /

https://sites.google.com/iag.usp.br/aca0330/

https://sites.google.com/iag.usp.br/aca0330/


REVISÃO DA AULA ANTERIOR

/ / / /





– 1940-hoje: Observações de tripólos c/ balões





Krehbiel, Paul R. (1986): The Electrical Structure of Thunderstorms. Ch. 8 in The Earth's Electrical Environment, National Academy Press, Washington. (link to Google Books)

https://books.google.fr/books?id=7j4rAAAAYAAJ&printsec=frontcover&dq=editions:ISBN0309036801




vida da tempestade


https://doi.org/10.1029/97JD03545

https://doi.org/10.1029/97JD03545



• Teorias de eletrificação se dividem em duas grandes categorias:

i. Hipótese de carregamento por convecção;

ii. Processos de precipitação.



• Teoria da CONVECÇÃO (Grenet , 1947; Vonnegut, 1953, 1955): – Porém, há 2 (duas) falhas nessa teoria:

1. o campo elétrico de tempo bom não consegue induzir uma quantidade de íons livres suficientes para intensificar o fluxo de íons positivos para o topo e de íons negativos para a base;

2. e não gera estrutura tripolar.



• Teoria da PRECIPITAÇÃO é baseada nos processos de formação da precipitação nas tempestades: – i.e., nas colisões entre os hidrometeoros!!!

– (Julius Elster e Hans F. Geitel em 1885)

• Para explicar o carregamento elétrico de hidrometoros por colisões entre eles, essa teoria exige: – Presença de um Campo Elétrico (pelo menos o de tempo-bom);

– Colisões devem ser repelidas (i.e, não podem se unir);

– Cargas devem ser segregadas de acordo com seus tamanhos ou temperatura no interior da nuvem (para formar uma estrutura tripolar);

– Transferência de cargas durante a colisão deve ser rápida;

– Todo o processo deve ser rápido o suficiente para gerar campo elétrico alto e raios em ~20 min.



• Logo, qual hidrometeoro está associado com a região de –20oC < T < –10oC?

qu

en

te

f

rio

T = 0oC

T = -40oC

Vapor d’água

T = -60oC

4.5 km

Corrente ascendente

T = -20oC

T = -10oC




– líquido colidindo com líquido coalescência (não há separação física)

– líquido colidindo com gelo riming/acresção (não há separação física)

– gelo colidindo com gelo pode haver agregação (neve, não há separação física)

– gelo colidindo com gelo pode haver separação física!



• E a diferença de tamanho entre os hidrometeoros sólidos garantem a separação gravitacional das cargas transferidas e pelo menos a formação de um dipólo:

T = 0oC 4,5 km

1,5 km T = 10oC

T = -40oC 15 km

T = -60oC 20 km

Corrente ascendente

– –10oC

–20oC

– –

– – –

+

+

+ +

+ +

+


FIM DA REVISÃO DA AULA ANTERIOR

/ / / /


• Mas como a transferência de carga elétrica ocorre de uma partícula de gelo para outra partícula de gelo?

• As teorias* mais aceitas atualmente se baseiam na estrutura molecular e propriedades elétricas da água.

– * teorias porque ainda hoje é difícil fazer medições in-situ nas tempestades (ambiente hostil para instrumentação) e todas teorias são baseadas em experimentos de laboratório e experimentos numéricos.



• Propriedades elétricas da água:

– Momento de dipólo permanente: • A molécula de água possui um átomo de oxigênio (1 O2 –) e dois

átomos de hidrogênio (2 H+) separados por um ângulo de 104.45o que gera um momento de dipólo permanente de p = 6.18 x 10-30 cm).

• Essa distribuição de elétrons e prótons implica em:

– Um excesso de carga positiva nos núcleos de H+ (Q+) e um excesso de cargas negativas nos núcleos de O2- (Q–)


104.45o

Q –

Q+


– Microspociamente, na estrutura molecular do gelo temos:

• Íons de OH– na interface gelo-ar (ou camada quase-líquida)

• Íons de H3O+ voltados para dentro da estrutura


Nelson, J., e M. Baker (2003): Charging of ice-vapor interfaces: applications to thunderstorms. Atmos. Chem. Phys., 3, 1237-1252. (doi:10.5194/acp-3-1237-2003).

Interface gelo-ar

gelo

Cam

ada

Qu

ase

-Líq

uid

a (C

QL)

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003


– Macrospociamente, na interface gelo-ar temos: • Uma camada dupla de íons, com os íons OH– expostos na

interface.


– – – – –

– – – – –

–

– –

– – – – –

– –

–

–

–

– –

– – + + +

+ + + +

+ + + + +

+ +

+ + +

+ + + Camada Quase-Líquida (CQL)

(dimensões exageradas)

gelo

+ –

Camada Dupla


– A transferência de carga ocorre na CQL durante a colisão entre duas partículas de gelo:

• TEORIA DA PRECIPTIAÇÃO DE CARREGAMENTO NÃO-INDUTIVO (i.e., não há necessidade de ter um campo elétrico prévio)

• Durante a colisão entre um cristal menor com uma partícula de gelo maior (graupel, granizo), a energia cinética da colisão (pressão da ponta do cristal na superfície do graupel) faz com que haja derretimento parcial da CQL e então transferência de massa (com excesso de íons OH–) é feita de uma da partícula para outra.



• Por exemplo, considere a colisão entre um graupel e um pequeno cristal de gelo em um ambiente com conteúdo de água líquida MODERADO ( graupel mais quente que o cristal, sublima):

– Antes da colisão o cristal tem um excesso de OH– na superfície.

– Durante a colisão, a ponta do cristal (com excesso de OH –) derrete e ”gruda” no graupel, que…

– … após a colisão, essa massa congela no graupel, deixando o graupel agora com excesso de OH– e o cristal com excesso de H3O+.



excesso de OH– na CQL

A massa do cristal (com excesso de OH–) congela no

graupel

Cristal fica com excesso de

H3O+

CQL derrete (com excesso de OH–)

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003


• Agora considere a colisão entre um graupel e um pequeno cristal de gelo em um ambiente com POUCO conteúdo de água líquida (graupel tem pontinhas (frost) mais finas e o cristal):

– Durante a colisão, o frost irá derreter e transferir massa para cristal…

– … após a colisão, essa massa congela no ristal, deixando o cristal com excesso de OH– e o graupel com excesso de H3O+.

– O cristal também pode simplesmente quebrar o ”frost” (que tem excesso de OH-), deixando o graupel também com excesso de H3O+.



https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003


• Agora considere a colisão entre um graupel e um pequeno cristal de gelo em um ambiente com MUITO conteúdo de água líquida (tipicamente formando granizo – crescimento molhado):

– Durante a colisão, o graupel já está ”molhado” porque está crescendo por muita acresção ou riming (e tem excesso de OH– na superfície)…

– … após a colisão, a camada molhada do graupel cede massa (com que tem excesso de OH-), e o graupel fica com excesso de H3O+ e o cristal com excesso de OH–.



https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003

https://doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003


• Outra teoria (Baker and Dash, 1994; Dash et al., 2001), é que a partícula que está crescendo mais rápido, tem uma CQL mais espessa e então, após a colisão, cede massa para a partícula com CQL mais fina:


Dash, J. G., B. L. Mason, J. S. Wettlaufer (2001): Theory of charge and mass transfer in ice-ice collisions. J. Atmos. Res., 106, 20395-20402. (doi:10.1029/2001JD900109).

Sublimação

Deposição,

riming,

acresção

https://doi.org/10.1029/2001JD900109

https://doi.org/10.1029/2001JD900109


– Ambas teorias corroboram com os resultados dos experimentos de laboratório:

– Manchester Lab Studies-Cloud Particle Imager


http://www.cas.manchester.ac.uk/resactivities/cloudphysics/methods/labstudies/manchester/particleimager/

Saunders, C. (2008): Charge Separation Mechanisms in Clouds. Space Sci. Rev., 137, 335–353. (doi:10.1007/s11214-008-9345-0)




http://doi.org/10.1007/s11214-008-9345-0

http://doi.org/10.1007/s11214-008-9345-0

http://doi.org/10.1007/s11214-008-9345-0

http://doi.org/10.1007/s11214-008-9345-0

http://doi.org/10.1007/s11214-008-9345-0

http://doi.org/10.1007/s11214-008-9345-0

http://doi.org/10.1007/s11214-008-9345-0



• Sinal da carga elétrica que o graupel ganha depois de colidir com cristais de gelo menores:


Saunders, C. (2008): Charge Separation Mechanisms in Clouds. Space Sci. Rev., 137, 335–353. (doi:10.1007/s11214-008-9345-0)

http://doi.org/10.1007/s11214-008-9345-0

http://doi.org/10.1007/s11214-008-9345-0

http://doi.org/10.1007/s11214-008-9345-0

http://doi.org/10.1007/s11214-008-9345-0

http://doi.org/10.1007/s11214-008-9345-0

http://doi.org/10.1007/s11214-008-9345-0

http://doi.org/10.1007/s11214-008-9345-0



• Takahashi (1978), Jayaratne (1983), Saunders et al. (1991), Avila e Pereyra (2000):

• Resumo Takahashi:

– alto LWC: graupel carrega (+) para todas T;

– médio LWC: graupel carrega (-) para T < -8oC

– baixo LWC: graupel carrega (+) para todas T;

• Resumo Saunders:

– graupel carrega (+) ou (-) para qualquer T, depende do LWC.



Williams, E. R., R. Zhang, and J. Rydock, 1991: Mixed-Phase Microphysics and Cloud Electrification. J. Atmos. Sci., 48, 2195–2203, (doi:10.1175/1520-0469(1991)048<2195:MPMACE>2.0.CO;2)


• Williams et al. (1991): – Estado de crescimento relativo por difusão

(Dash et al. 2001) vs resultados de Takahashi:

– alto LWC: crescimento molhado (forte acresção/riming), carrega (+)

– médio LWC: aquece por rimming (sublima), carrega (-) ;

– baixo LWC: deposição de vapor , carrega (+)


https://doi.org/10.1175/1520-0469(1991)048%3C2195:MPMACE%3E2.0.CO;2





• Na presença de campo elétrico forte, os íons da partícula de gelo podem se alinhar com o campo elétrico: – TEORIA DA PRECIPTIAÇÃO DE CARREGAMENTO INDUTIVO (i.e., há

necessidade de ter um campo elétrico prévio)

– Essa teoria foi elaborada antes da teoria do carregamento não-indutivo, mas o campo elétrico de tempo-bom não consegue polarizar o gelo.

– Porém, após a nuvem ficar carregada pelo mecanismo não-indutivo e gerar um campo elétrico alto, o carregamento indutivo pode ocorrer:

• Sem Campo elétrico

• Com Campo elétrico



• Outro mecanismo de carregamento é a CAPTURA DE ÍONS:

– Basicamente é a teoria da conveção

– Íons livre na atmosfera são trazidos para a atmosfera através de raios cósmicos

– As tempestades também induzem íons livres aumentando o campo elétrico ambiente:

– Efeito de corona ( efeito de pontas)


IONOSFERA +

-

+

-

+

-

E

+ + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + + +

+ + +

+ + + + +

+ + +

+ + + + + +

+ + + +

+ - - - - - - - - - - - - -

- - -

- - - - - -

- -

- - - - - - - - - - - - - -

- - -

- - - -

- -

- - - - - -

- - - - - - - - -

+

CAPTURA DE ÍONS


• Finalmente, o carregamento elétrico das tempestades deve ser uma combinação de:

– Processos não-indutivo: • é o mais importante, sem ele não há campo elétrico forte o

suficiente para gerar descargas

• É explicado pelas propriedades elétricas da água (CQL, camada dupla) e pelo estado de crescimento dos hidrometeoros

– Captura de íons (processo de convecção), importante para a camada de blindagem

– Processos indutivo (considerado o menos importante)




– –

– – – –

+ + + + +

+ +

+ +

+ +

+ +

+

+

+ + + + + ++ + + +

–

+

Carregamento não-indutivo e captura de íons livres positivos + +

+

+ + +

+ +

+

+

+

RESUMINDO:

–

+

-

-

-

-

- - - - - - - -

captura de íons

livres negativos

o Variável que controla a taxa de carga transferida: Corrente

Ascendente!

o Conforme as correntes ascendente se intensificam:

o água líquida é condensada em uma taxa muito maior

o “graupel” é produzido em uma taxa maior

o carga é gerada e advectada em uma taxa maior

o o potencial elétrico entre a nuvem e o solo aumenta

o raios nuvem-solo (CG – “cloud-to-ground” lightning) e intra-nuvem (IC – “intra-cloud”

lightning) são produzidos à uma taxa maior

Mecanismos de eletrificação dos hidrometeoros e

estrutura elétrica das tempestades

– + –

+

– +

– +

– +

– +

– +

+ + +

+ + +

+ + + +

+ + +

+ + +

+ + +

+ + +

+

+ + + +

+ + +

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

+

- – +

– +

– +

+

0oC

-1

0oC

-4

0oC

- +

o Porém, se a corrente ascendente for muito forte:

o Hidrometeoros carregados são levados para muito longe da superfície:

o a taxa de CGs diminui, e

o a taxa de IC pode ficar extrema (> 1 raio IC por minuto!)



– + –

+

– +

+ + +

+ + +

+ + + +

+ + +

+ + + +

+ + +

+

+ + + + + + +

- – +

– +

+

+

0oC

-1

0oC

-4

0oC

o Poalridade dos CGs:

o Os CGs podem ter polaridade negativa (–CG) ou positiva (+CG) dependendo de

onde se originam dentro da nuvem.

o Em tempestades isoladas, a porcentade de +CGs aumenta conforme a bigorna

é “cisalhada” e conforme a precipitação cai/cessa (dissipação).



0oC

-10oC

-40oC

+

+

- -

+ +

+

- -

Baixa %+CGs –CGs são freqüentes +CGs são raros tripólo normal

Alta %+CGs –CGs são freqüentes +CGs são ocasionais tripólo inclinado

Mais alta %+CGs –CGs são raros +CGs são ocasionais tripólo inclinado + estágio dissip.

o Nos sistemas convectivos de mesoescala (complexos convectivos,

linhas de instabilidade, etc.) são comuns:

o –CGs dominantes na região convectiva

o +CGs dominantes na região da bigorna

o +CGs dominantes na região estratiforme



0oC

-10oC

-40oC

+

+

- - +

-

+ +

Sistema Convectivo de Mesoescala

+

–CGs +CGs +CGs



Rutledge and MacGorman (1988) - → –CGs

+ → +CGs

%+CGs em Setembro de 2000-2004

Albrecht (2008) e Albrecht et al. (2011)

Espessura Camada Líquida fina durante a estação de transição

Sistema Convectivo de Mesoescala


Fluxo de Corrente em Tempestades:

1 – Correntes a partir do topo da nuvem:

2 – Corona ou ponto de descarga:

3 – Correntes de Precipitação

4 – Relâmpagos

5 – Correntes de Maxwell


Correntes a partir do topo da nuvem:

Em 1920, Wilson propôs que o Fluxo de corrente do topo das

tempestades para a alta atmosfera adiciona corrente de bom tempo

(circuito elétrico global).

Este fluxo decorre da resposta dos íons pequenos que reagem a ação

do Campo Elétrico da carga positiva resultante no topo da tempestade;


Corona ou ponto de descarga:

Corrente de corona é produzida a partir da quebra ou ionização das

moléculas de ar na presença de um Campo Elétrico alto.

Geralmente ocorre próximo a pontos condutores debaixo de tempestades

(grama, arvores, postes, antenas, etc.)


Correntes de Maxwell

Krider e Massur, 1982, propõe o cálculo do fluxo total de corrente em

tempestades a partir das medidas da densidade de corrente de Maxwell.


Referências Capítulo 3 de MacGorman D. e W. D. Rust, 1998: “The Electrical Nature of Storm”,

Oxford University Press.

Capítulo 3 de Rakov, V. A., 2016: Fundamentals of lightning. Cambridge University Press.

Artigo de Saunders, C., 2008: Charge Separation Mechanisms in Clouds. Space Sci. Rev., 137, 335–353, doi:10.1007/s11214-008-9345-0.

ARTIGOS CIENTÍFICOS CITADOS:

Avila, E. E., and R. G. Pereyra, 2000: Charge Transfer During Crystal&hyphen;Graupel Collisions for Two Different Cloud Droplet Size Distributions. 27, 3837–3840.

Baker, M. B., and J. G. Dash, 1994: Mechanism of charge transfer between colliding ice particles in thunderstorms. J. Geophys. Res., 99, 10621–10626, doi:10.1029/93JD01633.

Dash, J. G., B. L. Mason, and J. S. Wettlaufer, 2001: Theory of charge and mass transfer in ice-ice collisions. J. Geophys. Res. Atmos., 106, 20395–20402, doi:10.1029/2001JD900109.

Emersic, C., and C. P. R. Saunders, 2010: Further laboratory investigations into the Relative Diffusional Growth Rate theory of thunderstorm electrification. Atmos. Res., 98, 327–340, doi:10.1016/j.atmosres.2010.07.011.

Fricke, R. G. A., and K. Schlegel, 2017: Julius Elster and Hans Geitel – Dioscuri of physics and pioneer investigators in atmospheric electricity. Hist. Geo. Space Sci., 8, 1–7, doi:10.5194/hgss-8-1-2017.

Grenet, G., 1947: Essai d’explication de la charge electrique des nuages d’orages. Ann. Geophys., 3, 306–307.

Jayaratne, E., C. Saunders, and J. Hallett, 1983: Laboratory studies of the charging of soft-hail during ice crystal interactions. Q. J. R. Meteorol. Soc., 109, 609–630, doi:10.1256/smsqj.46110.

Krehbiel, P. R., 1986: The Electrical Structure of Thunderstorms. The Earth’s Electrical Environment, National Academies Press, Washington, D.C., p. 263.

Nelson, J., and M. Baker, 2003: Charging of ice-vapor interfaces: Applications to thunderstorms. Atmos. Chem. Phys., 3, 1237–1252, doi:10.5194/acp-3-1237-2003.


Referências Pereyra, R. G., E. E. Avila, N. E. Castellano, and C. P. R. Saunders, 2000: A laboratory study of graupel charging. J. Geophys. Res.

Atmos., 105, 20803–20812, doi:10.1029/2000JD900244.

Saunders, C. P. R., and S. L. Peck, 1998: Laboratory studies of the influence of cloud droplet size on charge transfer during crystal-graupel collisions. J. Geophys. Res. Atmos., 103, 13949–13956, doi:10.1029/97JD02644.

Saunders, C. P. R., W. D. Keith, and R. P. Mitzeva, 1991: The effect of liquid water on thunderstorm charging. J. Geophys. Res., 96, 11007, doi:10.1029/91JD00970.

——, H. Bax-norman, C. Emersic, E. E. Avila, and N. E. Castellano, 2006: Laboratory studies of the effect of cloud conditions on graupel/crystal charge transfer in thunderstorm electrification. Q. J. R. Meteorol. Soc., 132, 2653–2673, doi:10.1256/qj.05.218.

Stolzenburg, M., and W. Rust, 1998: Electrical structure in thunderstorm convective regions 3. Synthesis. J. Geophys. Res., 103, 14,097-14,108.

Takahashi, T., 1978: Riming electrification as a charge generation mechanism in thunderstorms. J. Atmos. Sci., doi:10.1175/1520-0469(1978)035<1536:REAACG>2.0.CO;2.

Takahashi, T., and K. Miyawaki, 2002: Reexamination of Riming Electrification in a Wind Tunnel. J. Atmos. Sci., 59, 1018–1025, doi:10.1175/1520-0469(2002)059<1018:ROREIA>2.0.CO;2.

Vonnegut, B., 1953: Possible mechanism for the formation of thunderstorm electricity. Bull. Am. Meteorol. Soc., 34, 378.

——, 1955: Possible mechanism for the formation of thunderstorm electricity. Proc. Conf. Atmos. Elec., 169–181.

Williams, E. R., 2010: Origin and context of C. T. R. Wilson’s ideas on electron runaway in thunderclouds. J. Geophys. Res. Sp. Phys., 115, n/a-n/a, doi:10.1029/2009JA014581.

Williams, E. R., R. Zhang, and J. Rydock, 1991: Mixed-Phase Microphysics and Cloud Electrification. J. Atmos. Sci., 48, 2195–2203, doi:10.1175/1520-0469(1991)048<2195:MPMACE>2.0.CO;2.

Wilson, C. T. R., 1916: On Some Determinations of the Sign and Magnitude of Electric Discharges in Lightning Flashes. Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci., 92, 555–574, doi:10.1098/rspa.1916.0040.

——, 1921: Investigations on Lightning Discharges and on the Electric Field of Thunderstorms. Philos. Trans. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci., 221, 73–115, doi:10.1098/rsta.1921.0003.

Wilson, C. T. R., and Jacksonian, 1929: Some thundercloud problems. J. Franklin Inst., 208, 1–12, doi:10.1016/S0016-0032(29)90935-2.

ACA0330 Introdução à Eletricidade Atmosférica AULA 03 … · produzidos/induzidos por...

Documents

Transcript of ACA0330 Introdução à Eletricidade Atmosférica AULA 03 … · produzidos/induzidos por...