Como Acontece Um Raio

A física por trás de um relâmpago

Quando uma tempestade se desenvolve, o que acontece dentro da nuvem é basicamente uma esteira de colisões entre partículas de gelo, cristais e água super-resfriada. As correntes convectivas levam os cristais de gelo mais leves para o topo da nuvem, enquanto gotículas mais pesadas afundam. Nessas colisões, ocorre transferência de carga elétrica. O resultado padrão é uma separação de cargas: a parte superior fica positivamente carregada e a inferior, negativamente. A questão que importa na prática não é apenas a diferença de potencial entre a nuvem e o solo. A diferença de potencial entre regiões dentro da própria nuvem também gera descargas, chamadas de raios intra-nuvem, que representam cerca de 75% de todos os relâmpagos. Raios nuvem-solo são minoria, mas os que mais chamam atenção porque atingem estruturas construídas pelo ser humano.

Como acontece um raio — o processo passo a passo

O mecanismo começa com o campo elétrico na base da nuvem ficando suficientemente intenso para ionizar o ar ao redor. O ar, normalmente um isolante, passa a conduzir quando o gradiente de campo atinge algo em torno de 3 milhões de volts por metro. Esse limiar pode variar dependendo da umidade, pressão e temperatura do ar. A descarga emerge como um líder escalonado. Um canal ionizado pequeno progride da nuvem em direção ao solo em etapas de cerca de 50 metros cada, com intervalos de microssegundos entre elas. Esse líder não segue uma linha reta. Ele branching, explorando caminhos de menor resistência no ar. Quando o líder escalonado se aproxima do solo a alguns metros, o campo elétrico na superfície induz uma carga oposta, e canais ascendentes partem de objetos pontiagudos no chão — árvores, postes, prédios — em direção ao líder que desce. O momento em que um líder ascendente e o líder descendente se conectam é a descarga de retorno. É essa a centelha brilhante que vemos. A corrente de retorno pode ultrapassar 30 mil amperes e aquecer o canal a aproximadamente 30.000 graus Celsius, cinco vezes mais quente que a superfície do Sol. O aquecimento instantâneo expande o ar violentamente, gerando a onda de choque que percebemos como trovão.

Um mesmo relâmpago pode ter múltiplas descargas de retorno pelo mesmo canal, sucessivas, em intervalos de microssegundos. Isso faz a luz piscar, ainda que o olho humano não consiga distinguir as etapas individuais. Uma coisa que pouca gente leva a sério é que raios não precisam atingir o ponto mais alto de uma área. Eu trabalhei num projeto de proteção contra descargas atmosféricas num galpão industrial em Minas Gerais e a primeira medição mostrou que os para-raios instalados segundo a regra do cone de proteção não cobriam uma linha de montagem inteira. O raio havia atingido um transformador externo numa região que teoricamente estava dentro da zona protegida. O problema era que o solo naquela área tinha uma resistividade anormalmente alta, cerca de 2.000 ohm-metro, o que distorce o campo elétrico local e atrai descargas para pontos que o cálculo teórico não previa. A solução foi instalar esbirros verticais adicionais e aumentar a malha de aterramento com hastes de terras químicas, reduzindo a resistividade para menos de 25 ohm-metro na região crítica. Outro detalhe que os manuais geralmente omitem: raios podem ocorrer sem nuvens cumulonimbus visíveis. O chamado raio em céu claro acontece quando uma tempestade distante gera cargas que se propagam por camadas altas da atmosfera, e a descarga ocorre a dezenas de quilômetros do local da nuvem original. Esse tipo é particularmente perigoso porque pega as pessoas de surpresa. Não há nuvem de tempestade no horizonte próximo.

O trovão que você ouve chega cerca de 3 segundos depois de ver o clarão a cada quilômetro de distância, já que a luz viaja quase instantaneamente e o som percorre aproximadamente 340 metros por segundo. Contar os segundos entre o clarão e o trovão é uma estimativa útil, mas imprecisa porque a velocidade do som varia com a temperatura e a umidade do ar. O que muitos esquecem é que a formação do raio não termina quando a descarga atinge o solo. Após a descarga de retorno, o canal ainda carrega energia e pode permanecer ionizado por milissegundos. Tentar se abrigar debaixo de uma árvore achando que o perigo passou imediatamente após o trovão é arriscado porque descargas subsequentes podem seguir pelo mesmo caminho. Também é errado assumir que o vidro de uma janela oferece proteção. O vidro não bloqueia descargas elétricas diretas, e a sensação de segurança que ele proporciona pode levar pessoas a ficarem perto de janelas durante tempestades, o que é perigoso se um raio atingir a estrutura do prédio próxima ao vidro. A proteção adequada depende de um sistema de captação, condutores e aterramento bem dimensionado, não de obstáculos internos.