O que é raio e como ele ocorre?

A origem das nuvens de tempestade

A névoa subindo acima do solo consiste em partículas de água e forma nuvens. Nuvens maiores e mais pesadas são chamadas de nuvens cumulus. Algumas nuvens são simples - elas não causam raios ou trovões. Outros são chamados de tempestades porque criam uma tempestade, formam raios e trovões. As nuvens de trovoada diferem das nuvens de chuva comuns porque são carregadas de eletricidade: algumas são positivas, outras são negativas.

Como são formadas as nuvens de tempestade? Todo mundo sabe o quão forte é o vento durante uma tempestade. Mas vórtices de ar ainda mais fortes se formam acima do solo, onde florestas e montanhas não impedem o movimento do ar. Este vento gera principalmente eletricidade positiva e negativa nas nuvens.

Há eletricidade positiva no centro de cada gota e uma quantidade igual de eletricidade negativa é encontrada ao longo da superfície da gota. As gotas de chuva que caem são apanhadas pelo vento e caem nas correntes de ar. O vento, batendo com força na gota, quebra-a em pedaços.Nesse caso, as partículas externas destacadas da gotícula ficam carregadas com eletricidade negativa.

A parte restante maior e mais pesada da gota é carregada com eletricidade positiva. A parte da nuvem onde as gotas pesadas se acumulam é carregada com eletricidade positiva. A chuva que cai da nuvem transfere parte da eletricidade da nuvem para o solo e, assim, uma atração elétrica é criada entre a nuvem e o solo.

Na fig. 1 mostra a distribuição de eletricidade em uma nuvem e na superfície da terra. Se uma nuvem estiver carregada de eletricidade negativa, então, esforçando-se para ser atraída por ela, a eletricidade positiva da terra será distribuída sobre a superfície de todos os objetos elevados que conduzem corrente elétrica. Quanto mais alto o objeto estiver no chão, menor a distância entre o topo e a base da nuvem e menor a camada de ar que fica aqui, emitindo a eletricidade oposta. É óbvio que o raio penetra mais facilmente no solo nesses locais. Contaremos mais sobre isso mais tarde.

Arroz. 1. Distribuição de eletricidade em uma nuvem de tempestade e objetos no solo

O que causa um raio?

Aproximando-se de uma árvore ou casa alta, uma nuvem carregada de eletricidade age sobre ela. Na fig. 1 nuvem carregada de eletricidade negativa atrai eletricidade positiva para o telhado e a eletricidade negativa da casa irá para o solo.

Ambas as eletricidades – na nuvem e no telhado da casa – tendem a se atrair. Se houver muita eletricidade na nuvem, muita eletricidade será formada na casa por meio da influência.

Assim como a entrada de água pode erodir uma represa e precipitar-se em uma torrente, inundando um vale em seu movimento irrestrito, a eletricidade, acumulando-se cada vez mais em uma nuvem, pode eventualmente romper a camada de ar que a separa da superfície da terra e para a terra, para a eletricidade oposta. Uma forte descarga ocorrerá - uma faísca elétrica deslizará entre a nuvem e a casa.

Este é o raio que atinge a casa. As descargas atmosféricas podem ocorrer não apenas entre uma nuvem e o solo, mas também entre duas nuvens carregadas com diferentes tipos de eletricidade.

Quanto mais forte o vento, mais rápido a nuvem é carregada com eletricidade. O vento gasta uma certa quantidade de trabalho, que separa a eletricidade positiva e negativa.

Como o raio se desenvolve?

Na maioria das vezes, um raio que atinge o solo vem de nuvens carregadas de eletricidade negativa. O raio que cai de tal nuvem se desenvolve dessa maneira.

Primeiro, pequenas quantidades de elétrons começam a fluir da nuvem para o solo, em um canal estreito, formando uma espécie de corrente no ar.

Na fig. 2 mostra esta iniciação da formação do raio. Na parte da nuvem onde o canal começa a se formar, acumulam-se elétrons com alta velocidade de movimento, pelo que, colidindo com átomos de ar, os quebram em núcleos e elétrons.

Arroz. 2. Um raio começa a se formar em uma nuvem

Os elétrons liberados neste caso também correm para o chão e, novamente colidindo com os átomos do ar, os separam.É como a neve caindo nas montanhas, quando a princípio um pequeno pedaço, rolando, fica coberto de flocos de neve grudados nele e, acelerando seu vôo, torna-se uma grande avalanche.

E aqui a avalanche de elétrons captura novos volumes de ar, dividindo seus átomos em pedaços. Nesse caso, o ar é aquecido e, à medida que a temperatura aumenta, sua condutividade aumenta. Ele se transforma de um isolante em um condutor. Através do canal condutor de ar resultante da nuvem, a eletricidade começa a drenar cada vez mais. A eletricidade se aproxima da Terra a uma velocidade tremenda, chegando a 100 quilômetros por segundo.

Em centésimos de segundo, a avalanche de elétrons atinge o solo. Isso termina apenas a primeira parte, por assim dizer, "preparatória" do raio: o raio chegou ao solo. A segunda e principal parte do desenvolvimento de Lightning ainda está por vir. A parte considerada da formação do raio é chamada de condutor. Esta palavra estrangeira significa "líder" em russo. O guia abriu caminho para a segunda parte mais poderosa do raio; esta parte é chamada de parte principal. Assim que o canal atinge o solo, a eletricidade começa a fluir por ele com muito mais violência e rapidez.

Agora há uma conexão entre a eletricidade negativa acumulada no canal e a eletricidade positiva que caiu no chão com gotas de chuva, e por ação elétrica há uma descarga de eletricidade entre a nuvem e o solo. Essa descarga é uma corrente elétrica de enorme força - essa força é muito maior do que a força da corrente em uma rede elétrica convencional.

A corrente que flui no canal aumenta muito rapidamente e, após atingir a força máxima, começa a diminuir gradativamente.O canal do raio através do qual flui uma corrente tão forte aquece muito e, portanto, brilha intensamente. Mas o tempo de fluxo de corrente em uma descarga atmosférica é muito curto. A descarga dura frações de segundo muito pequenas e, portanto, a energia elétrica produzida durante a descarga é relativamente pequena.

Na fig. 3 mostra o movimento gradual do para-raios em direção ao solo (as três primeiras figuras à esquerda).

Arroz. 3. Desenvolvimento gradual do para-raios (três primeiros algarismos) e sua parte principal (três últimos algarismos).

As três últimas figuras mostram momentos separados da formação da segunda parte (principal) do raio. Uma pessoa que olhasse para o flash não conseguiria, é claro, distinguir sua guia da parte principal, pois elas se seguem com extrema rapidez, no mesmo caminho.

Depois de conectar dois tipos diferentes de eletricidade, a corrente é interrompida. Normalmente os raios não param por aí. Freqüentemente, um novo líder corre imediatamente ao longo do caminho aberto pelo primeiro arremesso, e atrás dele, no mesmo caminho, está novamente a parte do olho do arremesso. Isso completa a segunda descarga.

Pode haver até 50 dessas categorias separadas, cada uma composta por seu próprio líder e corpo principal. Na maioria das vezes, existem 2-3 deles. O aparecimento de descargas separadas torna o raio intermitente e, muitas vezes, uma pessoa que olha para o raio o vê piscar. Isso é o que faz com que o flash pisque.

O tempo entre a formação de descargas separadas é muito curto. Não excede centésimos de segundo.Se o número de descargas for muito grande, a duração do raio pode atingir um segundo inteiro ou até vários segundos.

Consideramos apenas um tipo de raio, que é o mais comum.Esse raio é chamado de raio linear porque aparece a olho nu como uma linha - uma faixa estreita e brilhante de branco, azul claro ou rosa brilhante.

O raio linear tem um comprimento de centenas de metros a muitos quilômetros. O caminho do raio é geralmente em zigue-zague. O raio geralmente tem muitos ramos. Como já mencionado, as descargas atmosféricas lineares podem ocorrer não apenas entre a nuvem e o solo, mas também entre as nuvens.

Bola de iluminação

Além do linear, existem, no entanto, muito menos frequentemente outros tipos de raios. Consideraremos um deles, o mais interessante - relâmpago de bola.

Às vezes, há descargas elétricas que são bolas de fogo. Ainda não foi estudado como se forma o raio globular, mas as observações disponíveis deste interessante tipo de descarga atmosférica permitem-nos tirar algumas conclusões.

Na maioria das vezes, o raio globular tem a forma de uma melancia ou uma pêra. Dura relativamente longo - de uma fração de segundo a vários minutos.

A duração mais comum do raio globular é de 3 a 5 segundos. Na maioria das vezes, o raio globular aparece no final de uma tempestade na forma de bolas vermelhas brilhantes com um diâmetro de 10 a 20 centímetros. Em casos mais raros, também é grande. Por exemplo, um raio com um diâmetro de cerca de 10 metros foi fotografado.

A bola às vezes pode ser incrivelmente branca e ter contornos muito nítidos. O raio esférico geralmente produz um som de assobio, zumbido ou assobio.

O raio esférico pode desaparecer silenciosamente, mas pode emitir um leve crepitar ou até mesmo uma explosão ensurdecedora. Quando desaparece, geralmente deixa uma névoa de cheiro pungente. Perto do solo ou dentro de casa, o raio globular se move na velocidade de um homem correndo - aproximadamente dois metros por segundo.Ele pode ficar em repouso por um tempo, e essa bola "assentada" sibila e lança faíscas até desaparecer. Às vezes, o raio globular parece ser impulsionado pelo vento, mas geralmente seu movimento é independente do vento.

O raio globular é atraído para espaços fechados, onde penetra por janelas ou portas abertas e, às vezes, até por pequenas frestas. Cachimbos são uma boa maneira para eles; é por isso que as bolas de fogo costumam sair dos fornos das cozinhas. Depois de viajar pela sala, a bola de relâmpago sai da sala, muitas vezes saindo pelo mesmo caminho que entrou.

Às vezes, o raio sobe e desce duas ou três vezes a distâncias de alguns centímetros a alguns metros. Simultaneamente a esses altos e baixos, a bola de fogo às vezes se move na direção horizontal e, em seguida, o raio da bola parece dar saltos.

Freqüentemente, o raio esférico "se acomoda" nos fios, preferindo os pontos mais altos, ou rola ao longo dos fios, por exemplo, ao longo dos canos de drenagem. Movendo-se pelo corpo das pessoas, às vezes sob a roupa, as bolas de fogo causam queimaduras graves e até a morte. Existem muitas descrições de casos de danos fatais a pessoas e animais por raios. Raios de calor podem causar danos muito graves aos edifícios.

Onde cai um raio?

Como o raio é uma descarga elétrica através da espessura do isolante - o ar, ocorre com mais frequência onde a camada de ar entre a nuvem e qualquer objeto na superfície da terra será menor. Observações diretas mostram isso: o raio tende a atingir altos campanários, mastros, árvores e outros objetos altos.

No entanto, o raio corre não apenas para objetos altos.De dois mastros adjacentes de igual altura, um de madeira e outro de metal, e não muito longe um do outro, um raio disparará para o de metal. Isso acontecerá por duas razões: primeiro, o metal conduz eletricidade muito melhor do que a madeira, mesmo quando molhado. Em segundo lugar, o mastro de metal está bem conectado ao solo e a eletricidade do solo pode fluir mais livremente para o mastro durante o desenvolvimento do líder.

A última circunstância é amplamente utilizada para proteger vários edifícios de raios. Quanto maior a área de superfície do mastro de metal em contato com o solo, mais fácil é a eletricidade da nuvem passar para o solo.

Isso pode ser comparado a como um fluxo de líquido é derramado através de um funil em uma garrafa. Se a abertura do funil for grande o suficiente, o jato irá direto para a garrafa. Se a abertura do funil for pequena, o líquido começará a transbordar pela borda do funil e cairá no chão.

O raio pode atingir até mesmo uma superfície plana da terra, mas ao mesmo tempo corre para onde a condutividade elétrica do solo é maior. Assim, por exemplo, argila úmida ou pântano é atingida por um raio mais cedo do que areia seca ou solo seco e pedregoso. Pela mesma razão, os raios atingem as margens dos rios e córregos, preferindo-os às árvores altas, mas secas, que se erguem perto deles.

Essa característica do raio - correr para corpos bem aterrados e bem condutores - é amplamente utilizada para implementar vários dispositivos de proteção.