O relâmpago e o gelo podem parecer tão diferentes quanto o dia e a noite. Porém, fisicamente, a relação é mais próxima do que pensamos. (Fonte da imagem: Adobe Firefly, IA generativa)
Todo mundo conhece as nuvens de tempestade, mas não sabemos o que está acontecendo lá dentro. Claro, podemos explicar como a força da natureza surgiu apenas da água e do gelo ardente – mas dois estudos estão agora examinando o interior do monstro.
Explicamos por que o gelo parece mais leve e ao mesmo tempo se destaca dele e o que é chamado de relâmpagos escuros e rajadas de raios gama de alta energia.
Gelo torcido no caos da tempestade
Para entender o que o gelo tem a ver com as nuvens de tempestade, primeiro explicamos como o gelo é formado. Fortes nuvens ascendentes ocorrem em nuvens de trovoada, chamadas nuvens cumulonimbus, também conhecidas como nuvens bigorna. Eles são formados pela colisão de massas de ar – quente e úmido versus frio e seco.
As gotículas de água são transportadas por esses ventos verticais para cima, para níveis mais frios na atmosfera. Aqui eles congelam, afundam e muitas vezes se levantam novamente, apenas para cair à superfície em algum momento quando finalmente ficam pesados demais para as correntes ascendentes. Isto é o que acontece com granizo e granizo.
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Durante o caos dessas tempestades, blocos de gelo caem por toda parte – e aqui estão as pesquisas mais recentes. Afinal, o que permanece um mistério para nós há muito tempo: De onde vêm as tempestades?
Embora sejamos semelhantes ao gelo por estarmos em pé, isso surpreendeu os pesquisadores por trás do novo estudo. O gelo de água é eletromecanicamente ativo, o que significa:
- Pode separar as cargas umas das outras e criar uma tensão ou mais simplesmente: garante o fluxo dos elétrons, que é a eletricidade.
Os pesquisadores há muito suspeitam que o gelo desempenha um papel na geração de eletricidade a partir de tempestades. Para nos aproximarmos da importante peça do quebra-cabeça, a flexoeletricidade, vejamos o relativo.
- Piezoelétrico: Refere-se à propriedade de um material de gerar uma carga elétrica quando deformado mecanicamente. A energia mecânica é convertida em energia elétrica.
- Um exemplo da vida cotidiana: os isqueiros Piezo funcionam assim. A pressão ativa um mecanismo de mola que dobra o elemento piezocerâmico. Isso cria eletricidade de alta tensão e curto prazo. A alta tensão cria literalmente faíscas e gases que saem ao mesmo tempo que são acesos.
O próprio gelo não reage piezoeletricamente. A maioria deles apresenta outro efeito, a ferroeletricidade. Isso seria ir longe demais neste momento; deve ser apenas por um momento. O fator decisivo é a recém-descoberta flexoeletricidade do gelo.
As nuvens cumulonimbus são uma das estruturas mais fascinantes que podem ser formadas pelo ar saturado de água. (Fonte da imagem: Unsplash, Markus Kammermann)
Nuvens de tempestade, gerador de carambola
Os materiais flexoelétricos geram tensão quando deformados de maneira desigual, como por flexão. Ao contrário da piezoeletricidade, que requer uma estrutura cristalina especial, a flexoeletricidade pode ser usada em qualquer material – mesmo em água gelada simétrica. Colisões que utilizam energia mecânica para comprimir ou desalojar granizo ou neve atendem a essa condição.
Essas colisões sempre ocorrem com o gelo quando eles colidem entre si no caos das tempestades. Cada pedaço curvo de gelo gera um campo elétrico, como um pequeno gerador alimentado pela energia mecânica da curva. Portanto, temos uma verdadeira tempestade de pequenas coisas eletricamente ativas que causam uma nuvem de bolhas em seu interior.
O gelo aumenta a tensão potencial golpe por golpe através de inúmeras colisões individuais. A razão: diferentes temperaturas ambientes na parte superior e inferior da nuvem causam polaridades diferentes. Isso cria um pólo positivo e negativo natural na nuvem bigorna, que é um terreno fértil para raios.
De acordo com dados de cientistas, de acordo com simulações, a flexoeletricidade só pode explicar até 80% da carga em tempestades com raios, que foram registradas repetidamente durante as medições.
Fueler chamou a crise climática
As conclusões que se podem tirar desta constatação são: As mudanças climáticas podem causar tempestades. À medida que a atmosfera aquece, a camada de nuvens abaixo transportará mais calor no futuro, aumentando a diferença entre os níveis superiores e inferiores. Portanto: O aumento da separação de cargas pode levar a quedas de raios mais frequentes e mais fortes para reduzir o potencial elétrico.
Além do conhecimento sobre a geração de eletricidade nas nuvens, o conhecimento sobre as propriedades elétricas do gelo abre novamente as portas. Este efeito também pode ser usado na prática no futuro ou ajudar a explicar outras observações na natureza.
Alívio da tensão: relâmpago
Um segundo estudo explica o mecanismo que causa a tensão acumulada: um raio. No centro disso está uma reação física em cadeia na nuvem de tempestade. O campo elétrico resultante acelera os elétrons, que colidem com as moléculas de oxigênio e nitrogênio.
Vamos compará-lo a uma máquina de pinball invisível. Mas em vez de luzes coloridas e sons estridentes, a confusa sucessão de colisões produz outra coisa: raios X, fotões de alta energia e mais eletrões. Juntos, eles liberaram uma verdadeira avalanche de energia, que inicialmente causou a liberação de nuvem após nuvem – acompanhados pelos chamados “flashes escuros”, ou mais precisamente, explosões de raios gama.
A simulação mostra como os processos se reforçam para envolver mais e mais partículas à medida que a massa cresce cada vez mais energia até que finalmente começam a emitir luz. Todos estes efeitos foram observados individualmente, mas até agora não foram capazes de ser combinados num quadro lógico e coerente.
Às vezes é incrível quantas coisas novas ainda temos que aprender sobre os fenômenos cotidianos. No caso de eventos climáticos extremos, como furacões, a investigação desempenha um papel importante na proteção de vidas, membros e propriedades.
Mesmo no século 21, os raios ainda colocam regularmente a vida humana em perigo. Compreender estes extremos do clima terrestre é o primeiro passo para nos sustentarmos e, assim, protegermos melhor as nossas vidas e pertences.
