A ionização do ar

A descrição que segue também é exatamente o que acontece quando usamos um gerador Van de Graaff. Se você gosta muito de brincar com relâmpagos, um VDG (gerador Van de Graaff) definitivamente é a forma mais segura para isso e pode proporcionar horas de diversão.

O forte campo elétrico "quebra" o ar ao redor da nuvem, permitindo que a corrente flua numa tentativa de neutralizar a separação de carga. A "quebra" do ar cria um caminho que provoca um curto-circuito na nuvem/terra como se houvesse uma longa vara de metal conectando-as. Veja como a "quebra" funciona.

Quando o campo elétrico se torna muito forte (na casa das dezenas de milhares de volts por centímetro), as condições são perfeitas para o início da "quebra" do ar. O campo elétrico faz com que o ar ao seu redor se separe em íons positivos e elétrons, assim o ar fica ionizado. Tenha em mente que a ionização não significa que há mais carga negativa (elétrons) ou positiva (núcleos atômicos positivos/íons positivos) do que antes. Essa ionização só significa que os elétrons e os íons positivos estão mais afastados do que estavam em sua estrutura molecular ou atômica original. Essencialmente, os elétrons foram retirados da estrutura molecular do ar não ionizado.

A importância dessa separação/retirada é que os elétrons agora estão livres para se mover muito mais facilmente do que podiam antes da separação; então, esse ar ionizado (também conhecido como plasma) é muito mais condutivo do que o ar (anteriormente) não ionizado. A capacidade ou liberdade de movimentação dos elétrons é o que faz que qualquer material seja um bom condutor de eletricidade. Muitas vezes os metais são citados como núcleos atômicos positivos cercados por uma nuvem de elétrons, o que faz de muitos deles bons condutores de eletricidade.

Esses elétrons têm uma mobilidade excelente, o que permite que a corrente elétrica flua. A ionização do ar ou do gás cria plasma com propriedades condutivas parecidas com as dos metais. O plasma é a ferramenta que a natureza tem para neutralizar a separação da carga em um campo elétrico. Os leitores familiarizados com a reação química do fogo se lembrarão de que a oxidação tem um importante papel.

A oxidação é o processo pelo qual um átomo ou uma mólecula perde um elétron ao se unir com o oxigênio. Resumindo, o átomo ou a molécula é modificado de um potencial positivo mais baixo para um mais alto. Bastante interessante, o processo de ionização (que cria o plasma) também acontece por meio da perda de elétrons. Com essa comparação, podemos ver o processo de ionização como a "marcação de um caminho" através do ar para que o relâmpago siga, parecido com cavar um túnel dentro de uma montanha para que um trem passe.

Depois do processo de ionização, o caminho entre a nuvem e o solo começa a se formar. A seguir, aprenda sobre "líderes escalonados", ou seja, canais (caminhos) de ar ionizado.

Líderes escalonados
Uma vez iniciado o processo de ionização o plasma se forma e o caminho não é criado instantaneamente. Na realidade, há muitos caminhos separados de ar ionizado se originando na nuvem. Eles são chamados de "líderes escalonados".

Foto cedida NASA

Os líderes escalonados se propagam em direção à Terra em etapas, que não têm que resultar numa linha reta. O ar pode não se ionizar igualmente em todas as direções. Poeira ou impurezas (qualquer objeto) no ar podem fazer com que o ar se "quebre" mais facilmente em uma direção, dando melhores condições para o líder escalonado alcançar a Terra mais rapidamente naquela direção. O formato do campo elétrico também pode afetar muito o caminho de ionização. Esse formato depende da localização das partículas carregadas, que, nesse caso, estão localizadas na parte inferior da nuvem e na superfície do solo. Se a nuvem for paralela à superfície da Terra e a área for pequena o bastante para que a curvatura da Terra seja insignificante, as posições das duas cargas se comportarão como duas placas paralelas carregadas. As linhas de força (fluxo elétrico) geradas pela separação de cargas serão perpendiculares à nuvem e à Terra.

Linhas de fluxo sempre irradiam perpendicularmente da superfície da carga antes de se movimentar em direção a seu destino (localização da carga oposta). Sabendo disso, podemos dizer que, se a superfície inferior da nuvem não for reta, as linhas de fluxo não serão uniformes. Tente o seguinte: desenhe dois pontos nas extremidades opostas de uma bola de basquete. Em seguida, desenhe, na bola, uma linha que conecte os dois pontos. A curvatura da linha é parecida com as linhas de fluxo de um campo elétrico não uniforme. A falta da força uniforme pode fazer com que os líderes escalonados sigam um caminho que não seja uma linha reta até o solo.

Considerando essas possibilidades, fica óbvio que existem vários fatores que afetam a direção do líder escalonado. Ensinaram-nos que a menor distância entre dois pontos é uma linha reta, mas, no caso dos campos elétricos, as linhas de força (linhas de fluxo) podem não seguir a distância mais curta, uma vez que a distância mais curta nem sempre representa o caminho de menor resistência.

Agora temos uma nuvem eletricamente carregada com líderes escalonados sempre crescendo, que se esticam, em estágios, em direção à Terra. Eles são fracamente iluminados por um brilho púrpuro, e podem surgir outros líderes em áreas onde os líderes originais se dobram ou viram. Uma vez iniciado, o líder continuará até que a corrente flua, não interessando se o líder original vai chegar antes no chão ou não. O líder tem, basicamente, duas possibilidades: continuar crescendo em etapas de plasma crescente ou esperar pacientemente em sua atual condição de plasma até que outro líder atinja um alvo.

O líder que atingir o solo primeiro colhe as recompensas da jornada, formando um caminho condutivo entre a nuvem e o solo. Esse líder não é a descarga do relâmpago; ele apenas mapeia o caminho que aquela descarga seguirá. A descarga é o fluxo da corrente elétrica bem forte e repentino, que se move da nuvem para o solo.

Antes de continuarmos, temos que levar em conta o que está acontecendo com a superfície da Terra e os objetos que nela estão. Na próxima seção, vamos examinar as descargas conectantes positivas e ver o que acontece quando estas descargas conectantes encontram os líderes escalonados.