Eletricidade atmosférica - Atmospheric electricity

Nuvem para aterrar um raio . Normalmente, o raio descarrega 30.000 amperes , em até 100 milhões de volts , e emite luz, ondas de rádio, raios-x e até mesmo raios gama . As temperaturas plasmáticas em relâmpagos podem se aproximar de 28.000 kelvins .

Eletricidade atmosférica é o estudo das cargas elétricas na Terra atmosfera (ou que de outro planeta ). O movimento de carga entre a superfície da Terra, a atmosfera e a ionosfera é conhecido como circuito elétrico atmosférico global . A eletricidade atmosférica é um tópico interdisciplinar com uma longa história, envolvendo conceitos de eletrostática , física atmosférica , meteorologia e ciências da Terra .

As tempestades agem como uma bateria gigante na atmosfera, carregando a eletrosfera a cerca de 400.000 volts em relação à superfície. Isso cria um campo elétrico em toda a atmosfera, que diminui com o aumento da altitude . Os íons atmosféricos criados pelos raios cósmicos e pela radioatividade natural se movem no campo elétrico, de modo que uma corrente muito pequena flui pela atmosfera, mesmo longe de tempestades. Perto da superfície da Terra, a magnitude do campo é em média em torno de 100 V / m.

A eletricidade atmosférica envolve tempestades , que criam raios para descarregar rapidamente grandes quantidades de carga atmosférica armazenada em nuvens de tempestade, e a eletrificação contínua do ar devido à ionização de raios cósmicos e radioatividade natural , que garantem que a atmosfera nunca seja totalmente neutra.

História

Faíscas retiradas de máquinas elétricas e de jarros de Leyden sugeriram aos primeiros experimentadores, Hauksbee , Newton , Wall, Nollet e Gray , que os raios eram causados ​​por descargas elétricas. Em 1708, o Dr. William Wall foi um dos primeiros a observar que as descargas de faíscas se assemelhavam a um raio em miniatura, após observar as faíscas de um pedaço carregado de âmbar .

Os experimentos de Benjamin Franklin mostraram que os fenômenos elétricos da atmosfera não eram fundamentalmente diferentes daqueles produzidos em laboratório , listando muitas semelhanças entre eletricidade e relâmpago. Em 1749, Franklin observou que os raios possuíam quase todas as propriedades observáveis ​​em máquinas elétricas.

Em julho de 1750, Franklin formulou a hipótese de que a eletricidade poderia ser obtida das nuvens por meio de uma antena de metal alta com uma ponta afiada. Antes que Franklin pudesse realizar seu experimento, em 1752 Thomas-François Dalibard ergueu uma barra de ferro de 40 pés (12 m) em Marly-la-Ville , perto de Paris, extraindo faíscas de uma nuvem que passava. Com terrestres - isolados antenas, um experimentador pode trazer uma vantagem ligado à terra com um isolamento punho cera perto da antena, e observar uma descarga de faíscas a partir da antena para o fio de terra. Em maio de 1752, Dalibard afirmou que a teoria de Franklin estava correta.

Por volta de junho de 1752, Franklin realizou seu famoso experimento com pipa. A experiência da pipa foi repetida por Romas, que extraiu faíscas de uma corda metálica de 2,7 m de comprimento, e por Cavallo , que fez muitas observações importantes sobre a eletricidade atmosférica. Lemonnier (1752) também reproduziu o experimento de Franklin com uma antena, mas substituiu o fio terra por algumas partículas de poeira (testando a atração). Ele passou a documentar as boas condições do tempo , a eletrificação da atmosfera em dias claros e sua variação diurna . Beccaria (1775) confirmou os dados de variação diurna de Lemonnier e determinou que a polaridade de carga da atmosfera era positiva em tempo bom. Saussure (1779) registrou dados relativos à carga induzida de um condutor na atmosfera. O instrumento de Saussure (que continha duas pequenas esferas suspensas em paralelo por dois fios finos) foi um precursor do eletrômetro . Saussure descobriu que a eletrificação atmosférica em condições de tempo claro tinha uma variação anual, e que também variava com a altura. Em 1785, Coulomb descobriu a condutividade elétrica do ar. Sua descoberta foi contrária ao pensamento predominante na época, de que os gases atmosféricos eram isolantes (que são até certo ponto, ou pelo menos não muito bons condutores quando não ionizados ). Erman (1804) teorizou que a Terra estava carregada negativamente e Peltier (1842) testou e confirmou a ideia de Erman.

Vários pesquisadores contribuíram para o crescente corpo de conhecimento sobre os fenômenos elétricos atmosféricos. Francis Ronalds começou a observar o gradiente potencial e as correntes ar-terra por volta de 1810, incluindo gravações automatizadas contínuas . Ele retomou sua pesquisa na década de 1840 como o primeiro Diretor Honorário do Observatório de Kew , onde o primeiro conjunto de dados extenso e abrangente de parâmetros elétricos e meteorológicos associados foi criado. Ele também forneceu seu equipamento para outras instalações ao redor do mundo com o objetivo de delinear a eletricidade atmosférica em escala global. O novo coletor conta-gotas de Kelvin e o eletrômetro de anel dividido foram introduzidos no Observatório de Kew na década de 1860, e a eletricidade atmosférica permaneceu uma especialidade do observatório até o seu fechamento. Para medições de alta altitude, pipas já foram usadas, e balões meteorológicos ou aeróstatos ainda são usados, para levantar equipamentos experimentais no ar. Os primeiros experimentadores até subiram em balões de ar quente .

Hoffert (1888) identificou traços descendentes de relâmpagos individuais usando as primeiras câmeras. Elster e Geitel , que também trabalharam com emissão termiônica , propuseram uma teoria para explicar a estrutura elétrica das tempestades (1885) e, posteriormente, descobriram a radioatividade atmosférica (1899) a partir da existência de íons positivos e negativos na atmosfera. Pockels (1897) estimou a intensidade da corrente elétrica analisando os relâmpagos no basalto (c. 1900) e estudando os campos magnéticos remanescentes causados ​​pelos raios. As descobertas sobre a eletrificação da atmosfera por meio de instrumentos elétricos sensíveis e as idéias sobre como a carga negativa da Terra é mantida foram desenvolvidas principalmente no século 20, com CTR Wilson desempenhando um papel importante. A pesquisa atual sobre eletricidade atmosférica se concentra principalmente em relâmpagos, particularmente partículas de alta energia e eventos luminosos transitórios, e o papel dos processos elétricos não-tempestades no tempo e no clima.

Descrição

A eletricidade atmosférica está sempre presente e, durante o tempo bom, longe de tempestades, o ar acima da superfície da Terra fica carregado positivamente, enquanto a carga da superfície da Terra é negativa. Isso pode ser entendido em termos de uma diferença de potencial entre um ponto da superfície da Terra e um ponto em algum lugar no ar acima dela. Como o campo elétrico atmosférico é direcionado negativamente em dias de tempo bom, a convenção é se referir ao gradiente de potencial, que tem o sinal oposto e está a cerca de 100 V / m na superfície, longe de tempestades. Há uma fraca corrente de condução de íons atmosféricos movendo-se no campo elétrico atmosférico, cerca de 2 picoAmpères por metro quadrado, e o ar é fracamente condutor devido à presença desses íons atmosféricos.

Variações

Ciclos diários globais no campo elétrico atmosférico, com um mínimo em torno de 03 UT e com pico cerca de 16 horas depois, foram pesquisados ​​pela Carnegie Institution of Washington no século XX. Esta variação da curva de Carnegie foi descrita como "o batimento cardíaco elétrico fundamental do planeta".

Mesmo longe de tempestades, a eletricidade atmosférica pode ser altamente variável, mas, geralmente, o campo elétrico é intensificado em neblinas e poeira, enquanto a condutividade elétrica atmosférica é diminuída.

Links com biologia

O gradiente de potencial atmosférico leva a um fluxo de íons da atmosfera carregada positivamente para a superfície da terra carregada negativamente. Em um campo plano em um dia com céu limpo, o gradiente de potencial atmosférico é de aproximadamente 120 V / m. Objetos que se projetam desses campos, por exemplo, flores e árvores, podem aumentar a intensidade do campo elétrico para vários quilovolts por metro. Essas forças eletrostáticas próximas à superfície são detectadas por organismos como o zangão para navegar até as flores e a aranha para iniciar a dispersão por balão. Acredita-se que o gradiente de potencial atmosférico também afete a eletroquímica subterrânea e os processos microbianos.

Próximo ao espaço

A camada da eletrosfera (de dezenas de quilômetros acima da superfície da terra até a ionosfera) tem uma alta condutividade elétrica e está essencialmente em um potencial elétrico constante. A ionosfera é a borda interna da magnetosfera e é a parte da atmosfera que é ionizada pela radiação solar. ( Fotoionização é um processo físico no qual um fóton incide sobre um átomo, íon ou molécula, resultando na ejeção de um ou mais elétrons.)

Radiação cósmica

A Terra, e quase todas as coisas vivas nela, são constantemente bombardeadas por radiação do espaço sideral. Esta radiação consiste principalmente de íons carregados positivamente de prótons a ferro e fontes derivadas de núcleos maiores fora de nosso sistema solar . Essa radiação interage com átomos na atmosfera para criar uma chuva de ar de radiação ionizante secundária, incluindo raios X , múons , prótons , partículas alfa , píons e elétrons . A ionização dessa radiação secundária garante que a atmosfera seja fracamente condutora, e o leve fluxo de corrente desses íons sobre a superfície da Terra equilibra o fluxo de corrente das tempestades. Os íons têm parâmetros característicos como mobilidade , vida útil e taxa de geração que variam com a altitude .

Tempestades e relâmpagos

A diferença de potencial entre a ionosfera e a Terra é mantida por tempestades , com relâmpagos lançando cargas negativas da atmosfera para o solo.

Mapa mundial mostrando a frequência de queda de raios, em flashes por km² por ano (projeção de área igual). Os relâmpagos caem com mais frequência na República Democrática do Congo . Dados combinados de 1995–2003 do Detector Óptico de Transientes e dados de 1998–2003 do Sensor de Imagens Relâmpago.

Colisões entre gelo e granizo macio (graupel) dentro de nuvens cumulonimbus causam separação de cargas positivas e negativas dentro da nuvem, essenciais para a geração de raios. Como o raio se forma inicialmente ainda é uma questão de debate: os cientistas estudaram as causas raízes que vão desde perturbações atmosféricas (vento, umidade e pressão atmosférica ) ao impacto do vento solar e partículas energéticas.

Um raio médio carrega uma corrente elétrica negativa de 40 quiloamperes (kA) (embora alguns raios possam ser de até 120 kA) e transfere uma carga de cinco coulombs e energia de 500 MJ , ou energia suficiente para alimentar um lâmpada por pouco menos de dois meses. A voltagem depende do comprimento do parafuso, com o colapso dielétrico do ar sendo de três milhões de volts por metro, e os raios geralmente tendo várias centenas de metros de comprimento. No entanto, o desenvolvimento do lightning leader não é uma simples questão de ruptura dielétrica, e os campos elétricos ambientais necessários para a propagação do lightning leader podem ser algumas ordens de magnitude menores do que a resistência à ruptura dielétrica. Além disso, o gradiente de potencial dentro de um canal de curso de retorno bem desenvolvido é da ordem de centenas de volts por metro ou menos devido à intensa ionização do canal, resultando em uma verdadeira potência de saída da ordem de megawatts por metro para um retorno vigoroso. corrente de curso de 100 kA.

Se a quantidade de água condensada e subsequentemente precipitada de uma nuvem for conhecida, então a energia total de uma tempestade pode ser calculada. Em uma tempestade média, a energia liberada chega a cerca de 10.000.000 quilowatts-hora (3,6 × 10 13 joule ), o que é equivalente a uma ogiva nuclear de 20 quilotons . Uma tempestade grande e severa pode ser de 10 a 100 vezes mais energética.

Sequência de relâmpagos (duração: 0,32 segundos)

Descargas Corona

Uma representação da eletricidade atmosférica em uma tempestade de poeira marciana, que foi sugerida como uma possível explicação para os resultados da química enigmática de Marte (ver também experimentos biológicos da sonda Viking )

O Fogo de Santo Elmo é um fenômeno elétrico no qual o plasma luminosoé criado por uma descarga coronal originada de um objeto aterrado . Os relâmpagos esféricos são frequentemente identificados erroneamente como Fogo de Santo Elmo, embora sejam fenômenos separados e distintos. Embora referido como "fogo", o Fogo de Santo Elmo é, na verdade, plasma , e é observado, geralmente durante uma tempestade , no topo das árvores, torres ou outros objetos altos, ou nas cabeças dos animais, como uma escova ou estrela de luz.

A corona é causada pelo campo elétrico ao redor do objeto em questão que ioniza as moléculas de ar, produzindo um brilho fraco facilmente visível em condições de pouca luz. Aproximadamente 1.000 - 30.000 volts por centímetro são necessários para induzir o Fogo de Santo Elmo; no entanto, isso depende da geometria do objeto em questão. As pontas agudas tendem a exigir níveis de tensão mais baixos para produzir o mesmo resultado, pois os campos elétricos estão mais concentrados em áreas de alta curvatura, portanto as descargas são mais intensas nas pontas dos objetos pontiagudos. O Fogo de Santo Elmo e faíscas normais podem aparecer quando a alta voltagem elétrica afeta um gás. O fogo de Santo Elmo é visto durante tempestades, quando o solo abaixo da tempestade está eletricamente carregado e há alta voltagem no ar entre a nuvem e o solo. A voltagem separa as moléculas de ar e o gás começa a brilhar. O nitrogênio e o oxigênio na atmosfera terrestre fazem com que o Fogo de Santo Elmo brilhe com luz azul ou violeta; isso é semelhante ao mecanismo que faz os letreiros de neon brilharem.

Cavidade Terra-Ionosfera

As ressonâncias Schumann são um conjunto de picos de espectro na porção de frequência extremamente baixa (ELF) do espectro do campo eletromagnético da Terra. A ressonância de Schumann é devida ao espaço entre a superfície da Terra e a ionosfera condutiva atuando como um guia de ondas . As dimensões limitadas da Terra fazem com que este guia de ondas atue como uma cavidade ressonante para ondas eletromagnéticas. A cavidade é naturalmente excitada pela energia dos raios.

Aterramento do sistema elétrico

Cargas atmosféricas podem causar acúmulo de potencial de carga indesejável, perigoso e potencialmente letal em sistemas de distribuição de energia elétrica suspensa. Fios desencapados suspensos no ar por muitos quilômetros e isolados do solo podem coletar cargas armazenadas muito grandes em alta tensão, mesmo quando não há tempestade ou relâmpago ocorrendo. Essa carga procurará descarregar-se por meio do caminho de menor isolamento, o que pode ocorrer quando uma pessoa estende a mão para ativar uma chave liga / desliga ou usar um dispositivo elétrico.

Para dissipar o acúmulo de carga atmosférica, um lado do sistema de distribuição elétrica é conectado à terra em muitos pontos ao longo do sistema de distribuição, tão freqüentemente quanto em todos os postes de suporte . O único fio conectado à terra é comumente referido como "aterramento de proteção" e fornece caminho para o potencial de carga se dissipar sem causar danos e fornece redundância no caso de qualquer um dos caminhos de aterramento ser ruim devido à corrosão ou baixa condutividade do aterramento . O fio de aterramento elétrico adicional que não carrega energia tem um papel secundário, fornecendo um caminho de curto-circuito de alta corrente para queimar fusíveis rapidamente e tornar um dispositivo danificado seguro, em vez de ter um dispositivo não aterrado com isolamento danificado se tornando "eletricamente vivo" através do fonte de alimentação da rede e perigoso ao toque.

Cada transformador em uma grade de distribuição de corrente alternada segmenta o sistema de aterramento em um novo circuito fechado. Essas grades separadas também devem ser aterradas em um lado para evitar o acúmulo de carga dentro delas em relação ao resto do sistema, e que pode causar danos de potenciais de carga descarregando através das bobinas do transformador para o outro lado aterrado da rede de distribuição.

Veja também

Referências e artigos externos

Citações e notas

Outra leitura

  • Richard E. Orville (ed.), " Atmospheric and Space Electricity ". ( "Escolha do Editor" virtual revista ) - " América Geophysical Union ". ( AGU ) Washington, DC 20009-1277 EUA
  • Schonland, BFJ, " Atmospheric Electricity ". Methuen and Co., Ltd., Londres, 1932.
  • MacGorman, Donald R., W. David Rust, DR Macgorman e WD Rust, " The Electrical Nature of Storms ". Oxford University Press, março de 1998. ISBN  0-19-507337-1
  • Volland, H., " Atmospheric Electrodynamics" , Springer, Berlin, 1984.

Sites

Leitura adicional

links externos