Por que raios se movem em ziguezague? Ciência desvenda o mistério

Não há quem nunca tenha visto um raio e se maravilhado com seu poder. Mas, apesar da sua frequência — cerca de 8,6 milhões de raios ocorrem ao redor do mundo, todos os dias —, o motivo por que eles avançam como se fosse por uma série de degraus da nuvem carregada até a terra permanece um mistério.

Existem alguns livros sobre os raios, mas nenhum deles explica como se formam esses "ziguezagues" (chamados de degraus), nem como o raio consegue viajar por quilômetros. Mas minha recente pesquisa oferece uma explicação.

Os intensos campos elétricos das nuvens carregadas agitam os elétrons até que eles tenham energia suficiente para criar o que conhecemos como "moléculas de oxigênio delta-singlete".

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

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 uso de compostos ecológicos nas aeronaves aumente a eficiência de combustível, eles aumentam o risco de danos causados pelos raios. Por isso, precisamos buscar maior proteção.

O que causa os raios?
 

Os raios acontecem quando as nuvens carregadas com potencial elétrico de milhões de volts são conectadas à terra. Uma corrente de milhares de amperes flui entre a terra e o céu, com temperatura de dezenas de milhares de graus.

Fotografias de raios revelam inúmeros detalhes não observados a olho nu. Normalmente, existem quatro ou cinco "líderes" fracos que saem da nuvem. Eles são ramificados e ziguezagueiam em um trajeto irregular em direção à terra.

O primeiro desses líderes a atingir a terra inicia o raio. Os outros líderes são então extintos. Cinquenta anos atrás, fotografias em alta velocidade revelaram ainda mais complexidade. Os líderes seguem da nuvem para baixo em "degraus" com cerca de 50 metros de comprimento.

Cada degrau fica brilhante por um milionésimo de segundo, mas depois existe escuridão quase completa. Depois de outros 50 milionésimos de segundo, forma-se um novo degrau, no final do anterior, mas os outros degraus permanecem escuros.

Por que existem esses degraus? O que acontece nos períodos de escuridão 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 carregado de energia atinge uma molécula de oxigênio. Se o elétron tiver energia suficiente, ele agita a molécula, que fica no estado chamado de delta-singlete.

Trata-se de um estado "metaestável", ou seja, ele não é perfeitamente estável, mas normalmente não cai para um estado de energia inferior por cerca de 45 minutos.

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

Quando mais de 1% 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 significativo de elétrons.

Durante a parte escura do degrau, a densidade dos estados metaestáveis e dos elétrons aumenta. Após 50 milionésimos de segundo, 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 condutora de eletricidade, sem necessidade de campo elétrico e com pouca emissão de luz.

Como proteger as pessoas e as propriedades
A compreensão da formação dos raios é importante para os projetos de proteção 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 entra em ebulição. A pressão pode fazer explodir um trecho do edifício, criando o risco de desabamento.

O para-raios inventado por Benjamin Franklin em 1752 é basicamente um fio de cerca grosso fixado ao topo de um 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-raios de Franklin é exigido em edifícios altos e igrejas, mas o que não se tem certeza é de quantos são necessários em cada estrutura.

Além disso, existem centenas de estruturas não protegidas, incluindo as coberturas de abrigos nos parques. Essas estruturas, muitas vezes, são feitas de aço galvanizado altamente condutor, que atrai os raios, sustentado por postes de madeira. Na Austrália, a nova versão dos padrões exigidos para proteção contra raios recomenda que esses abrigos sejam aterrados.

*John Lowke é professor e pesquisador de física da Universidade do Sul da Austrália

Este artigo foi publicado originalmente no site de notícias acadêmicas The Conversation e republicado sob licença Creative Commons. Leia aqui a versão original em inglês.