Dos 3,15 bilhões de raios que golpeiam a Terra e seus habitantes durante um ano, 100 milhões deles vêm desabar em terras brasileiras. O número, divulgado no ano passado por uma equipe de cientistas do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), em São José dos Campos, São Paulo, não é superado por nenhum outro país. E ficou bem acima das estimativas que davam conta de 30 milhões ao ano. Agora, sabemos com segurança: em quantidade de relâmpagos, ninguém segura este país.
Mas a pesquisa do INPE vai muito além de contar faíscas no céu. Desde 1989, num trabalho que usa enormes balões — do tamanho de prédios de 20 andares —, o Instituto vem medindo a carga elétrica das nuvens e dos relâmpagos que atingem a Região Sudeste. Para isso, os balões levam sensores elétricos, sensores de raios X e até máquina fotográfica e câmera de vídeo. Registram tudo o que acontece a 30 quilômetros de altura.
Tanta investigação acabou encontrando as particularidades dos raios brasileiros, que são diferentes dos que caem em outros lugares. “Sessenta por cento dos que atingem a Região Sudeste, em alguns dias do verão, têm carga positiva”, diz Iara Cardoso de Almeida Pinto, geofísica espacial, que juntamente com o marido, o também geofísico espacial Osmar Pinto Jr., comanda a pesquisa. Outra surpresa, pois 90% dos raios do mundo têm carga negativa.
Um detalhe: raios positivos são, geralmente, mais destrutivos. Embora os relâmpagos sejam mais freqüentes dentro das nuvens do que das nuvens para o solo, os mais estudados são justamente estes, que vêm bater no chão — os mais ameaçadores.
“Os raios são fenômenos naturais que aguçam a curiosidade mas causam prejuízos e mortes”, diz Osmar Pinto Jr. Calcula-se que mais de 100 brasileiros morram todos os anos vítimas de raios (positivos e negativos). Quanto aos prejuízos, de acordo com dados da Eletropaulo (Eletricidade de São Paulo), no ano passado ocorreram 974 casos de falhas ou interrupções da rede elétrica causadas pelos raios. Só para se ter uma idéia do tamanho do prejuízo, se um grande blackout atingisse toda a região da Grande São Paulo por uma hora implicaria uma perda de 30 milhões de dólares.
Mas, afinal, como se formam as faíscas que vemos no horizonte quando se anuncia uma tempestade? Relâmpagos são gerados dentro de uma nuvem muito particular: a cumulonimbo, que se diferencia das outras por ser verticalmente mais extensa. Ela se forma a 2 quilômetros de altura do solo e se estende até 18 quilômetros acima.
Tudo começa quando o ar quente e úmido próximo do solo se eleva na atmosfera (ele sobe porque é mais leve que o ar acima dele). À medida que vai subindo, esfria, até chegar ao topo da nuvem onde a temperatura é muito baixa, de 30 graus negativos. Resultado: o vapor de água que estava misturado ao ar quente transforma-se em granizo e começa a despencar (porque é mais pesado que o ar) para a base da nuvem. Na queda, vai se chocando com outras partículas menores, cristais de gelo principalmente. Os choques fazem o granizo e os cristais ficarem eletricamente carregados.
As cargas negativas presas ao granizo vão para a base da nuvem. Já as positivas ficam nos cristais de gelo, mais leves, que tendem a subir com o ar quente que vem de baixo para o topo da nuvem. Ou seja, as cargas se separam: positivas em cima e negativas em baixo. Em dado momento, as cargas positivas e negativas atingem intensidade muito alta. É o que basta para o surgimento do relâmpago. Para equilibrar cargas tão diferentes, a eletricidade anda sozinha, sem fio nem nada, pelo ar. Em outras palavras: um raio não é nada mais que uma carga elétrica cruzando a atmosfera.
A maioria dos raios começa e acaba dentro das nuvens. São poucos os que vêm para o chão. Sobre esses há duas curiosidades. A primeira é que só podem ser vistos na fase final. Logo que o raio sai da nuvem e segue em direção do solo não pode ser visto (nessa fase é chamado de “líder escalonado”). Quando essa faísca tortuosa chega a 50 metros do chão, sai da terra outra faísca em direção à nuvem (é a “descarga conectante”) e ela ainda não pode ser vista. Só quando as duas correntes se encontram é que tudo se ilumina. O que vemos, então, é a “descarga de retorno”. A segunda curiosidade: os raios que enxergamos, portanto, saem da terra para o céu. Por ilusão de óptica, achamos que o clarão do relâmpago vem do alto para a terra.
E aqui chegamos à pergunta: por que alguns raios são positivos e outros negativos? O que os diferencia é o local da nuvem onde se originam. Os negativos saem da parte baixa da nuvem, onde se concentra a energia negativa. Já os positivos saem do topo da nuvem, onde ficam as partículas carregadas positivamente.
Há outra diferença importante: nos raios positivos, a corrente elétrica contínua — a que persiste até o relâmpago acabar — dura cerca de 200 milésimos de segundo, enquanto nos negativos a corrente dura, em geral, menos da metade. Justamente porque nos raios positivos a corrente contínua dura mais é que eles são mais perigosos e destrutivos, capazes de iniciar um incêndio florestal (os negativos raramente causam incêndio). Outra diferença é que o raio negativo carrega uma corrente contínua de 100 ampères (o ampère é a unidade de intensidade da corrente elétrica), enquanto o positivo carrega o dobro: 200 ampères, energia suficiente para alimentar vinte fornos elétricos domésticos.
Mas o que os pesquisadores querem entender é por que, em algumas tempestades da Região Sudeste, 60% dos relâmpagos são positivos. Além de tudo, esse tipo de relâmpago, por não ser freqüente, é pouco conhecido e só começou a ser estudado em detalhes na década passada. Para tentar explicar a ocorrência desses raios positivos, a equipe do INPE formulou uma hipótese: a maior quantidade deles por aqui estaria relacionada a gigantescas concentrações de nuvens que vêm da região antártica em direção ao Brasil. Quando encontram o ar quente das regiões Sul e Sudeste, produzem aglomerados gigantes de cumulosnimbos. O topo dos aglomerados “entorta” para o lado formando uma cauda gigantesca só com cargas positivas. Isso explicaria a quantidade maior de raios positivos nessas regiões. A parte superior dos cumulosnimbos estaria tão afastada da parte inferior que teria mais facilidade de trocar energias diretamente com o solo. A conclusão definitiva (a confirmar ou descartar a hipótese) só virá depois que os cientistas terminarem a análise dos 30 milhões de dados recolhidos pelos balões.
O primeiro experimento para pesquisar os raios no Brasil foi realizado em dezembro de 1989, na base de lançamentos de balões do INPE, em Cachoeira Paulista, interior de São Paulo. O mais impressionante foi mesmo o enorme balão estratosférico, de 7 500 metros cúbicos. Feito de plástico muito fino, leve e super-resistente à radiação ultravioleta do Sol, ele partiu para as nuvens carregando um equipamento de 100 quilos. A 30 quilômetros de altura, deu início à missão de sentir a força dos relâmpagos e contá-los em um raio de 100 quilômetros.
Isso é possível porque os raios emitem radiação: a luz, por exemplo, é uma forma de radiação. Além disso, eles também emitem ondas de rádio, que interagem com partículas que existem ao redor da Terra gerando outro tipo de radiação: os raios X. Tudo isso pode ser captado, registrado e também filmado e fotografado.
Na experiência de 1989, o balão levava apenas sensores para medir as cargas elétricas dentro das nuvens e dos relâmpagos. A peça central dos sensores são bolas metálicas de 20 centímetros de diâmetro: atingidas pelos impulsos elétricos que saem das nuvens, elas medem as correntes. Os registros são captados por circuitos eletrônicos dentro do equipamento e transformados em sinais. Codificados digitalmente, os sinais são transmitidos para a superfície e gravados num microcomputador para análises posteriores.
Nas experiências seguintes, em janeiro e fevereiro de 1994, além dos sensores elétricos, o equipamento incluiu uma câmera de vídeo, uma máquina fotográfica e um sensor de raios X — um cristal de iodeto de sódio sensível aos raios X. O cristal é acoplado a uma fotomultiplicadora, que amplifica um sinal de raios X e o transforma numa corrente elétrica cuja intensidade é codificada e gravada no microcomputador. A câmera de vídeo e a máquina fotográfica finalmente registram as imagens de tudo o que acontece ao redor.
E lá se vai o balão com toda essa carga pendurada. Ao chegar a 30 quilômetros de altura, começa a se mover para o oeste (no interior do Estado), passando sobre as nuvens. O vôo dura de dez a doze horas. No final, o equipamento cai de pára-quedas (para depois ser recuperado) e o balão se perde no ar.
Depois dos estudos, os cientistas esperam sugerir formas mais adequadas de proteção contra os raios brasileiros, positivos e destruidores. “Costumo dizer que nos protegemos bem contra relâmpagos que caem em outros lugares do mundo”, brinca Osmar Pinto Jr.
Conhecer melhor os relâmpagos que caem em determinadas regiões significa evitar prejuízos, como os causados por blackouts — interrupções no fornecimento de energia elétrica.
A aviação também pode se precaver conhecendo os trechos das rotas mais sujeitos a relâmpagos. Se não derrubam aeronaves, eles provocam panes momentâneas nos computadores de bordo — e tempestades sempre acabam chacoalhando os passageiros.
Nessa pesquisa, eles contam com a colaboração da Companhia Energética de Minas Gerais (Cemig) que tem um Sistema de Localização de Tempestades (SLT ou LPATS — Lightining Position and Tracking System). Minas Gerais é o único Estado brasileiro que possui uma rede de detecção e rastreamento de relâmpagos. “Eles são responsáveis por 70% do total de desligamentos da rede elétrica no Estado”, constata o engenheiro eletricista José Henrique Diniz, do Departamento de Pesquisa, Desenvolvimento e Normalização Técnica da Cemig.
Para avaliar os efeitos das tempestades, as torres de transmissão de Minas têm elos magnéticos, dispositivos que medem a corrente dos raios que caem sobre elas. Esses e outros equipamentos ajudam a reduzir os estragos causados pelos 7,5 milhões de relâmpagos que caem anualmente naquele Estado.
A melhor forma de proteção contra os relâmpagos, a despeito de toda a tecnologia moderna, continua sendo o primitivo pára-raios, uma invenção do século XVIII. Não pode haver aparelho mais simples. Colocada sobre uma casa, uma haste metálica ligada a um fio condutor de eletricidade enterrado no chão será sempre a primeira parte da construção a receber o relâmpago. Primeiro, por ser de metal; segundo, por ter um fio condutor que leva a eletricidade para a terra e, terceiro, por ser o ponto mais alto da casa.
Bastava saber disso para se inventar o pára-raios. Mas antes era preciso descobrir que os raios são um fenômeno elétrico. E essa foi a façanha realizada em 1752 pelo cientista americano Benjamin Franklin.
Pouco antes de uma tempestade, ele empinou uma pipa em direção às nuvens, já desconfiado de que elas estivessem repletas de cargas elétricas. Com sorte e muita habilidade, conseguiu provar isso ao perceber que uma parte dessas cargas descia pelo fio da pipa. Foi ali que nasceu o pára-raios. Franklin teve mesmo uma boa mãozinha da sorte, porque, se um raio de verdade — e não as pequenas cargas que estavam se acumulando nas nuvens, antes de se transformarem em raio — houvesse caído no fio, ele não teria vivido para contar a história. Tempos depois, o físico russo Georg Richmann, ao tentar repetir o feito, morreu eletrocutado.
Com o pára-raios, boa parte dos transtornos ocasionados por relâmpagos puderam ser evitados. Hoje, casas e edifícios são protegidos por eles. Prédios mais baixos e de áreas pequenas precisam de um único pára-raios. Já edifícios de dez andares para cima costumam ter mais de um. Deles saem cabos condutores de eletricidade que correm por fora da estrutura e descem para o solo.
Em busca de maior proteção, no início deste século, foram introduzidos pára-raios que tinham na ponta uma cápsula radioativa, feita de amerício, um elemento químico. Uma pequena abertura na cápsula permite que a radiação escape, atraindo os raios. Mas, por causa da radioatividade, acabaram proibidos no mundo inteiro. Em São Paulo, 30% dos edifícios ainda o utilizam. O prazo estabelecido por uma lei municipal para a retirada final desses equipamentos é abril do ano que vem.
Outra forma de proteção foi inventada no século XIX, pelo físico inglês Michael Faraday (1791-1867). Ele descobriu que um dispositivo com paredes de metal, como uma gaiola, atuava como blindagem contra as descargas elétricas que vinham de fora, protegendo seu interior. Por esse princípio, um carro com chapas de aço ou um avião funcionam como o equipamento que levou seu nome: gaiola de Faraday.
É possível, hoje, aproveitar as ferragens do concreto armado dos edifícios, se elas estiverem bem amarradas entre si. “Se conectarmos a essas ferragens pequenas hastes na cobertura do edifício, elas também vão funcionar como uma gaiola de Faraday”, explica o engenheiro eletricista Duílio Moreira Leite, pesquisador do Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo. Isso é recente no Brasil e existem poucos prédios construídos assim. E não oferecem perigo pois, se um raio atingir as hastes, a corrente elétrica se confina às ferragens e vai diretamente para o solo.
Mas uma tarefa complicada para arquitetos e engenheiros é descobrir proteções eficazes e também estéticas. Por isso, os engenheiros bolaram pequenas cercas de metal que dão a volta no teto das construções, com hastes pequenas em cada canto. Elas não prejudicam a harmonia dos edifícios.
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