Física das tempestades

Física das tempestades

(Parte 2 de 5)

Figura 10 – Estrutura das cargas elétricas no interior de uma nuvem de tempestade............. 33

Figura 11 – Representação da trajetória de saída e retorno do raio........................... 36

Figura 12 -Os campos de experiência pessoal do aluno......................................................... 45

Figura 13 – Processo de carregamento e neutralização das cargas na nuvem........................ 47

Figura 14 – Simulação Lightning: An Example Of A Natural Capacitor............................... 54

Figura 15 – Representação de um eletroscópio de folhas carregado e neutro........................ 55

Figura 16 - Representação de uma Garrafa de Leiden........................................................... 56

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Composição média da atmosfera seca abaixo de 25 km .......................................17

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO

“O futuro não virá por si só, teremos que construir”

(Maiakovski)

As tempestades de raios podem causar danos à sociedade e à economia em várias escalas e são capazes de prejudicar moradias, transportes, o fornecimento de energia e industrias. A todo momento, por volta de duas mil tempestades com relâmpagos ocorrem no mundo. Durante uma tempestade, estima-se que são produzidas cerca de 100 descargas por segundo, a temperaturas superiores à da superfície do sol (PINTO JR. & CARDOSO, 2015). Esse fenômeno, desde sempre, causa curiosidade e medo no homem, que há muito vem tentando entendê-lo; mesmo assim, não se sabe ainda exatamente todos os detalhes de como as descargas se originam no interior da nuvem de tempestade, denominada cumulonimbus.

O Brasil é o país do mundo que mais registra a ocorrência de raios, devido à sua posição geográfica (INPE, 2017). Por consequência, há um grande número de acidentes, dos quais, parte poderia ser evitada se a população tivesse conhecimento de medidas de prevenção e proteção contra raios. Neste contexto, o presente trabalho apresenta uma proposta de inserção do fenômeno nas aulas de física, como forma de contextualizar tópicos de eletricidade dentro do cotidiano dos alunos, assim como alertá-los para os perigos e medidas de proteção.

1.1 JUSTIFICATIVA

Não é de hoje que o professor de Física encontra dificuldades no ensino da disciplina, seja por falta de motivação dos estudantes, seja pela dificuldade dos alunos em compreender determinados conteúdos. Vários estudos, têm sido realizados nesse sentido e apontam como maior problema a desvinculação dos conceitos físicos com o cotidiano dos alunos (NASCIMENTO, 2010). A Física tem sido ensinada nas escolas de maneira complexa e voltada para habilitar os estudantes a resolverem questões e, por isso, tem sido vista com “maus olhos” pelos alunos. É preciso que o aprendiz compreenda de fato o que está sendo ensinado, como estes conceitos estão presentes na natureza e, assim, será capaz de processar o conhecimento, fazer associações, resolver problemas físicos e, por consequência, resolver questões.

Ademais, os fenômenos climáticos ameaçam a vida e são um dos temas mais recorrentes nos meios de comunicações, como em jornais, televisão e internet. Inclusive, foi foco da Conferência das Partes COP/ONU de novembro de 2015. Por isso, é importante que, durante sua formação, os estudantes entendam esses fenômenos e saibam seus riscos. Neste sentido, os Parâmetros Curriculares Nacionais institucionalizaram a necessidade da inclusão de tópicos relacionados com a climatologia nas aulas de ciências. No entanto, a presença de estudos nessa área têm sido mínima. Um mapeamento publicado este ano aponta que das 271 publicações da Revista Física na Escola que existiam até a data, apenas sete faziam menção ao clima, mostrando que o material relacionado com o tema voltado para professores de física é escasso (NANINI et al., 2017).

Na intenção de levar aos alunos uma Física que possibilite a compreensão de fenômenos que ocorrem na natureza, propomos um ensino contextualizado de eletrostática e eletrodinâmica, à luz da teoria da aprendizagem significativa de Ausubel (2003). Para isso, compomos um guia de ensino para o professor, com dicas de métodos didáticos (experimentos, simulações, questionamentos para o levantamento de discussões, ligações com outras disciplinas, etc.), com o intuito de motivar e proporcionar interação, trazendo o aluno a participar no processo da construção da sua própria aprendizagem. Além da aprendizagem dos conceitos físicos, este tipo de metodologia faz com que o aluno desenvolva espírito crítico, questione a natureza ao seu redor e tente entender os seus fenômenos, compreendendo assim a essência da ciência. Além disso, propomos um ensino capaz de preparar o aluno para vida, indo além da participação nas discussões em sala e solução de problemas físicos, preparando o estudante também entender o funcionamento do clima à sua volta e como vem mudando, saber como deve agir durante uma tempestade de raios e não se reter ao que é passado por muitos mitos que circundam esse fenômeno.

1.2 METODOLOGIA

A metodologia deste trabalho consiste em estruturar atividades que permitam o estudante refletir e interagir com o conteúdo ensinado e suas aplicações, promovendo um conteúdo que faz parte da realidade dos estudantes, aproximando a Física do seu cotidiano. Não entraremos a fundo nos conceitos físicos, visto que podem ser encontrados em qualquer livro de eletromagnetismo, nos limitaremos, então, em indicar as relações entre as grandezas envolvidas.

Inicialmente apresentaremos alguns fenômenos atmosféricos fundamentais, como sua constituição, pressão, dentre outros, pois, como veremos, estes têm grande influência em todo o processo de formação e eletrização de uma nuvem tempestuosa. Em seguida, discutiremos como se dá o crescimento de uma nuvem até se tornar uma cumulonimbus e como esse tipo de nuvem pode ficar carregada. Na verdade, pelo carregamento da nuvem não ter sido completamente compreendido ainda, há um consenso na meteorologia de como ele deve se dar, baseado em duas teorias. É interessante discutir essa questão com os alunos, para que entendam que a ciência não é uma verdade estabelecida e inquestionável, mas sim que está constante construção.

Posteriormente, apresentaremos as principais dificuldades no ensino de eletricidade no Ensino Médio e alguns métodos didáticos que ajudam a superá-las. Também, apresentamos as bases deste trabalho, que foi fundamentado na Teoria da Aprendizagem Significativa de Ausubel (2003), que busca tornar o aluno protagonista de sua aprendizagem. Com isso, foi formulado no capítulo 5 um guia didático, que traz algumas dicas de como tornar o aluno ativo durante as aulas por meio de discussões, levantamento de questões de interesse, experimentos e/ou simulações computacionais. Além do mais, como as tempestades de raio envolvem muitos efeitos, causas e têm despertado um interesse histórico nos homens, é um fenômeno que abrange várias áreas. Por isso, mostraremos algumas formas de como ligar essas aulas de física a tópicos de outras disciplinas e criar aulas interdisciplinares.

2 CONCEITOS BÁSICOS SOBRE METEOROLOGIA FÍSICA

“A essência do conhecimento científico é sua aplicação prática”

(Confúcio, 551 – 479 a.C.)

A meteorologia Física estuda os fenômenos atmosféricos, como os processos termodinâmicos, a composição e estrutura da atmosfera, propagação de ondas e radiação eletromagnética no ar, eletricidade atmosférica, reações físico-químicas dos gases e partículas, processos físicos envolvidos na formação de nuvens e precipitação e microfísica de gotas e cristais. Além disso, aborda outras áreas, como, por exemplo, a aeromia, direcionada ao estudo de fenômenos na alta atmosfera.

Neste capítulo, serão apresentados alguns fenômenos atmosféricos importantes para a formação de nuvens de tempestades. Como veremos, a constituição da atmosfera, o ciclo da água, assim como temperatura e pressão, são fundamentais no balanço energético global e no surgimento e eletrização de uma nuvem tempestuosa.

2.1 ATMOSFERA

Entender a atmosfera terrestre e conseguir prever fenômenos meteorológicos pode ser bastante complexo, isso acontece em virtude das inúmeras interações que ali ocorrem. As comuns variações de temperatura são causadas pelo aquecimento ou resfriamento da superfície terrestre, que geram mudanças no volume e na densidade do ar, o que resulta em mudanças de pressão. Essa mudança de pressão gera movimento do ar na vertical e na horizontal, que pode criar ou modificar o padrão de circulação local. Esse padrão de circulação afeta a temperatura, os padrões de vento e o regime de precipitação, resultando em um sistema muito complexo em constante transição (FERREIRA, 2006).

A história do estudo da atmosfera envolve observações, teorias e desde a década de 60, modelagem numérica. Estudos relacionados a esse tema são complexos e só foram possíveis a partir do desenvolvimento de instrumentos adequados. Já no começo do século XVII, Galileu criou um termoscópio a fim de acompanhar mudanças de temperatura, porém, termômetros precisos só surgiram no começo do século XVIII por Fahrenheit, seguido por Celsius (A ORIGEM..., 2017). Em 1643, Torricelli desenvolveu o barômetro com o objetivo de medir o peso da atmosfera ao nível do mar e foi com esse instrumento que posteriormente Pascal demostrou que a pressão diminui com a altitude. Tal conclusão de Pascal foi fundamental para os estudos de Boyle sobre a compressibilidade do ar, que o levaram a propor a lei que diz que o volume é inversamente proporcional à pressão, em 1660. Em 1802, Jacques Charles complementou a Lei de Boyle associando também a temperatura à pressão e ao volume e foi apenas no final do século XIX que os constituintes da atmosfera foram identificados.

2.1.1 Constituição da atmosfera

A atmosfera é essencial à vida terrestre e evoluiu à sua forma de composição atual por pelo menos 400 milhões de anos, quando sobre o solo já havia se desenvolvido uma considerável cobertura vegetal (BARRY & CHORLEY, 2013). Ela consiste em uma massa gasosa que se estende por cerca de 800 km acima da superfície, porém, a maioria dos gases está concentrada em uma camada de mais ou menos 6 km acima do nível do mar (FERREIRA, 2006).

Segundo Vianello (1991), a constituição da nossa atmosfera é algo “sui generis”: partículas sólidas, massas líquidas e elementos gasosos misturam-se conferindo-lhe características peculiares. Somente em circunstâncias especiais os gases combinam-se entre si, como ocorre nas reações fotoquímicas, de resto comportam-se como simples misturas mecânicas (BARRY & CHORLEY, 2013). Embora exista uma grande quantidade de constituintes na atmosfera, a maior parte de sua massa é composta de um reduzido número de elementos com concentrações aproximadamente constantes, chamados gases permanentes, os demais, que não apresentam concentração fixa, são denominados gases variáveis (VIANELLO & ALVES, 1991). A tabela abaixo mostra a composição média da nossa atmosfera abaixo de 25 km.

Tabela 1 – Composição média da atmosfera seca abaixo de 25 km.

Componente

Símbolo

Volume % (ar seco)

Peso Molecular

Nitrogênio

N2

78,08

28,02

Oxigênio

O2

20,95

32,00

*Argônio

Ar

0, 93

39,88

Dióxido de carbono

CO2

0,037

44,00

Neônio

Ne

0,0018

20,18

*Hélio

He

0,0005

4,00

Ozônio

O3

0,00006

48,00

Hidrogênio

H

0,00005

2,02

Criptônio

Kr

0,00011

Xenônio

Xe

0,00009

§Metano

CH4

0,00017

Obs.: * Produtos do decaimento do potássio e urânio. Recombinação do oxigênio. Gases inertes. § Na superfície.

Fonte: Adaptado de Barry, Roger Graham – Atmosfera, tempo e clima – 9ed. (2013).

Apesar de grande parte da atmosfera ser composta por gases, também existe uma quantidade significativa de partículas suspensas, chamadas aerossóis, que entram na atmosfera por uma variedade fontes naturais (sal marinho, partículas minerais, vulcânicas, incêndios florestais, etc.) ou antropogênicas (Poeira industrial, combustão de carbono e biomassa, dentre outros). Algumas dessas partículas são diretamente emitidas para a atmosfera, outras são resultados de reações químicas que ali ocorrem.

Essas partículas possuem um importante papel no clima, uma vez que participam do balanço radioativo, espalhando e/ou absorvendo radiação solar e terrestre. Têm um papel de resfriamento no balanço climático global, pois as camadas de aerossóis na atmosfera diminuem a radiação que chega a superfície. E é sobre uma fração das partículas de aerossóis que agem como núcleos higroscópicos, que se formam as gotículas de nuvens em seu estágio inicial de formação (PBMC, 2014). Um importante exemplo de partícula aerossol é o cloreto de sódio (NaCl), vindo do mar, que, por ter bastante afinidade com o vapor d’água, muito contribui para o processo de desenvolvimento de uma nuvem (VIANELLO & ALVES, 1991).

Os aerossóis possuem um raio que varia entre 10-3µm e 102µm (VIANELLO & ALVES, 1991) e, de acordo com Pauliquevis et al. (2007), essas partículas podem ser divididas em duas frações pelo seu tamanho. A fração fina compreende partículas menores que 2 micra (µm) e as partículas com tamanho superior a esse compreendem a fração grossa. Para se ter uma noção, o número médio de partículas em região remota da Amazônia reportado é de 450 por cm3 (PBMC, 2014). Já no ar sobre a Europa, existem 500 – 1000 partículas de tamanho pequeno por cm3 e 2000 – 3500 partículas de tamanho médio (BARRY & CHORLEY, 2013). Os aerossóis, diferente dos gases, têm um ciclo de vida na atmosfera de apenas alguns dias a, no máximo, semanas. Isso ocorre porque, dependendo do tamanho, essas partículas são transportadas pelo vento, no caso da fração fina, ou atraídas pelo campo gravitacional da Terra, no caso da fração grossa, e até trazidas para o solo por meio de chuvas.

Para o estudo de fenômenos meteorológicos, o vapor d’água é o constituinte mais importante na atmosfera. A atmosfera contém um reservatório de água resfriada que, dependendo das condições ambientais, varia de 0,2% a 2,7% de sua composição, podendo alcançar o valor máximo de até 4% nas regiões tropicais quentes e úmidas (FERREIRA, 2006). Esse vapor de água presente na atmosfera pode ser carregado pelos ventos, sendo levados até mesmo a lugares distantes de recursos hídricos.

2.1.2 O ciclo da água na atmosfera

O vapor de água chega na atmosfera quando a água presente na superfície terrestre absorve energia solar e evapora, ou quando o gelo sublima. O ar, a determinada temperatura, só pode absorver vapor d’água até um determinado limite, quando esse limite é ultrapassado, ele fica saturado. Se o ar já saturado recebe mais vapor de água ou quando há uma queda na temperatura, ocorre a condensação; chamamos de ponto de orvalho a temperatura em que o ar começa a condensar. Quando o ar é resfriado até o ponto de orvalho, o vapor d’água acopla-se nos aerossóis presentes na atmosfera e ocorre a condensação, o que geralmente resulta na formação de nuvens compostas de gotículas de água e/ou gelo.

Durante o processo de evaporação da água há um ganho de energia advinda do sol, essa energia é liberada durante a condensação. Cada gotícula de água, ao se condensar, libera uma quantidade de calor, a qual é denominada calor latente, que é absorvido pela atmosfera e aquece o ar na sua vizinhança. Esse ar quente é menos denso e tem tendência a subir, o que ocasiona correntes verticais, essas correntes aumentam a condensação do vapor d’agua na atmosfera, formando gotículas que podem intensificar a nuvem. Além disso, o calor latente, quando liberado em grande quantidade na atmosfera, pode ocasionar forças destrutivas como os ciclones, fenômeno que ocorre nos oceanos tropicais quando suas águas são bastante aquecidas (FERREIRA, 2006). Devido a sua grande capacidade calorífica, o ciclo da água por toda a Terra está intimamente ligado à energia global. Mais de 75% do influxo de energia da superfície para a atmosfera resultam da liberação por condensação do calor latente (BARRY & CHORLEY, 2013).

Quando as gotas de água que começaram a se formar ficam muito pesadas para permanecerem na atmosfera, elas caem na forma de precipitação e, se estiver muito frio, elas se precipitam na forma de flocos de neve ou pedras de gelo (granizo), trazendo água resfriada para a superfície terrestre. Essa água penetra no solo, vai para rios e mares ou volta para atmosfera na forma de vapor de água. Esse padrão de repetição da evaporação, condensação e precipitação é denominado de ciclo da água e está ilustrado na Figura 1 a seguir.

Figura 1 – O ciclo da água.

Fonte: <https://www.infoenem.com.br/ciencias-da-natureza-resumo-completo-do-ciclo-da-água/> Acesso em outubro de 2017.

2.1.3 A pressão atmosférica

A pressão atmosférica é resultado do peso da camada de ar acima da superfície terrestre. Em virtude da força gravitacional, os componentes da atmosfera são puxados em direção à Terra e a maioria deles se concentram a até 6 km de altitude. A pressão atmosférica sofre variações tanto horizontal como verticalmente, ela diminui com a altitude e varia de acordo com a região do planeta devido à temperatura e aos gases e partículas presentes na região em questão, o que ocasiona as chamadas zonas de alta e baixa pressão. Essas zonas não são fixas por causa dos ventos e do movimento de rotação da terra.

Nas zonas de alta pressão, a água que evapora tem certa dificuldade em ganhar altitude e isso dificulta a formação de nuvens e a ocorrência de chuvas. Já nas zonas de baixa pressão, por não apresentarem uma resistência considerável, o vapor da água sobe e ao alcançar camadas mais frias da atmosfera se condensa e se acumula podendo formar as nuvens. Atualmente, é possível identificar as zonas de alta e baixa pressão através de imagens de satélites, por meio da nebulosidade devido à formação das nuvens (CLIMA TEMPO, 2017), como mostra a Figura 2 a seguir.

Figura 2 – Imagem do satélite GOES sobre a América do Sul.

Fonte: Adaptado de < http://www.getulionascimento.com/news/clima-do-brasil/> Acesso em outubro de 2017.

2.1.4 O campo elétrico de tempo bom

Sabe-se que utilizando um fio-terra conseguimos fazer com que corpos inicialmente carregados se neutralizem. Quando temos um corpo carregado positivamente ele ganha elétrons e é neutralizado, já quando o corpo está inicialmente com excesso de cargas negativas, os elétrons vão na direção de menor potencial, neste caso, para a Terra; mas a terra é neutra ou carregada? Se for carregada, é positiva ou negativamente?

Atualmente, já se sabe que a superfície da Terra é carregada negativamente. Em virtude dessa carga negativa, em condições de tempo bom, há, na atmosfera, um campo elétrico voltado para baixo, denominado campo elétrico de tempo bom; ele diminui com a altitude e é praticamente nulo a 50 quilômetros da superfície da Terra. Na superfície dos continentes, esse campo médio é cerca de 120 V/m. Este valor corresponde a uma carga superficial de -1,2 x 10-9 C/m². Mas porque não sentimos essa voltagem? “Nosso corpo é um condutor elétrico relativamente bom, se comparado com o ar. Por essa razão, o potencial de seu corpo fica igual ao potencial do solo. As linhas equipotenciais se distorcem em torno do corpo.” (SEARA, 2005). Integrando essa carga superficial sobre a superfície da Terra, temos uma carga total de 600 kC. Integrando o campo elétrico da superfície até a ionosfera (ultima camada da atmosfera), ocorre uma diferença de potencial de cerca de 200 kV.

Para explicar esse campo, o físico Lorde Kelvin elaborou a hipótese de que a superfície da Terra e a ionosfera formam um capacitor esférico, com essa diferença de potencial de 200 kV entre as "placas". Mas nesse caso, o dielétrico entre as placas, que se trata da atmosfera, não é completamente isolante devido à presença de íons (provenientes da radiação cósmica solar e solar ultravioleta) (BARRY & CHORLEY, 2013). A radioatividade do solo terrestre também produz íons, mas em número muito menor. A concentração média de íons na atmosfera é cerca de 1000 por centímetro cúbico. O ar atmosférico, como vimos anteriormente, é composto, principalmente, de moléculas de nitrogênio e de oxigênio e algumas dessas moléculas ficam carregadas. Juntando a diferença de potencial entre as "placas" e a condutividade da atmosfera devida aos íons, deve haver uma corrente elétrica na direção do solo. Com essa corrente descarregando o capacitor planetário de Lorde Kelvin, a diferença de potencial e o campo elétrico entre as placas deveriam se anular em poucas horas. Mas, como mostram as medidas experimentais, isso não acontece. Isso significa que algo deve estar suprindo continuamente a diferença de potencial e mantendo o capacitor carregado.

O “gerador” que mantém o capacitor carregado seria as tempestades e seus raios. As "descargas" elétricas que chamamos de raios, na verdade, carregam o capacitor terrestre, trazendo cargas negativas das nuvens para o solo (LESSI, 2004). Na Figura 3, podemos observar a superfície da terra representada como a esfera negativa do capacitor e a ionosfera como a casca esférica positiva. Em azul, estão as regiões de tempo bom, onde podemos observar os vetores da corrente elétrica da placa positiva para a negativa, essa corrente tende a descarregar o capacitor o que não acontece em razão das tempestades que estão o tempo todo acontecendo em diversas regiões do planeta e funcionam como baterias carregando a superfície. Esse efeito das tempestades compensa o efeito das correntes nas regiões de tempo bom e são essenciais para o balanço energético global. Esse modelo é bem aceito porque ao comparar os valores das descargas elétricas com os valores das correntes elétricas nas regiões de tempo bom, chegamos a um balanço energético.

Figura 3 – Esquema do capacitor panetário de Lorde Kelvin.

Fonte: aulasdefisica.com - Artigo sobre capacitores e capacitância.

2.2 NUVENS

As nuvens consistem em um conjunto visível de partículas minúsculas de água líquida ou gelo ou, ainda, os dois simultaneamente, suspensos na atmosfera. Elas são bem comuns no nosso cotidiano e são responsáveis por vários fenômenos na natureza, dentre eles, podemos citar: neve, granizo, arco-íris, tempestades, relâmpagos, trovões e outros mais.

2.2.1 Processos de formação das nuvens

Como vimos anteriormente, vários fatores influenciam na formação das nuvens. Esses fatores vão desde a instabilidade atmosférica e o movimento vertical dos ventos, até processos em microescala como a condensação das gotículas de água nos aerossóis. Na atmosfera, a temperatura do ar diminui com a altitude. Dependendo de como se dá esta diminuição, o crescimento de uma nuvem pode ser acelerado ou inibido. No ar estável, as nuvens que se foram não se desenvolvem muito verticalmente. Alguns outros fatores também podem influenciar neste crescimento, como: as montanhas, onde ventos batem forçando o ar quente subir, e as frentes frias, camadas de ar frio que funcionam como uma cunha empurrando o ar quente para cima.

O principal processo de formação da nuvem é o resfriamento por expansão adiabática (TUBELIS & NASCIMENTO, 1980), que se dá pela elevação de uma massa de ar na atmosfera. Conforme essa massa de ar se eleva, ela começa um processo de expansão em virtude da diminuição da pressão com a altitude. Essa expansão é considerada adiabática, já que o ar é um mau condutor de calor e como consequência essa massa de ar sofre uma diminuição de temperatura. Esse resfriamento provoca uma diminuição da capacidade de retenção do vapor de água da massa de ar e o vapor começa a se condensar.

A condensação ocorre com mais dificuldade no ar limpo, pois a umidade precisa de uma superfície para se condensar. Esse processo, como já vimos, se dá quando o ar se torna supersaturado ou quando ele resfria abaixo do seu ponto de orvalho e começa nos aerossóis presentes no ar que atuam como núcleos higroscópicos. Esses núcleos são, geralmente, solúveis em água e, por isso, o processo de condensação sobre eles se torna mais simples. Para se ter uma ideia, é preciso em torno de um milhão de gotículas para se formar um pingo de chuva.

Uma vez formadas as gotículas de água, o seu processo de crescimento não é simples, pois ela possui uma tensão superficial, o que dificulta na incorporação de novas moléculas de vapor de água. Nos estágios iniciais, o efeito da solução (núcleo higroscópico) ainda é predominante e o processo de crescimento é mais rápido do que quando ela aumenta. Além disso, a competição entre gotículas pela umidade do ar contribui para reduzir o grau de supersaturação. Isso faz com que o processo de condensação se torne lento para explicar a formação de chuvas quando comparado com os valores efetivos observados.

(Parte 2 de 5)

Comentários